!HU000004454T2! (19)
HU
(11) Lajstromszám:
E 004 454
(13)
T2
MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Magyar Szabadalmi Hivatal
EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA B01J 8/02
(21) Magyar ügyszám: E 05 002485 (22) A bejelentés napja: 2005. 02. 07. (96) Az európai bejelentés bejelentési száma: EP 20050002485 (97) Az európai bejelentés közzétételi adatai: EP 1570901 A1 2005. 09. 07. (97) Az európai szabadalom megadásának meghirdetési adatai: EP 1570901 B1 2008. 08. 13.
(51) Int. Cl.:
(30) Elsõbbségi adatok: 200400347 2004. 03. 01.
(73) Jogosult: Haldor Topsoe A/S, 2800 Kgs. Lyngby (DK)
DK
(72) Feltalálók: Rostrup-Nielsen, Thomas, 2840 Holte (DK); Bogild Hansen, John, 2100 Copenhagen O (DK) (54)
B01J 8/06 C01B 3/16 C01B 3/58 C01B 3/38
(2006.01) (2006.01) (2006.01) (2006.01) (2006.01)
(74) Képviselõ: Szabó Zsolt, DANUBIA Szabadalmi és Jogi Iroda Kft., Budapest
Eljárás exoterm reakciózóna hûtésére, továbbá reaktoregység
(57) Kivonat
HU 004 454 T2
A találmány tárgya exoterm reakciózóna (5) hûtésére szolgáló eljárás, ahol vízáramot (3) és szénhidrogéntartalmú áramot (6) szilárd katalizátoros rögzített katalizátorágy katalizált exoterm reakciózónáján (5) áthaladó nedvesítõcsövekbe (4) táplálnak bele, a vízáramot a nedvesítõcsövek (4) belsõ palástja mentén esõfilmként továbbítják, és az exoterm reakciózónával indirekt hõcserélõ kapcsolatban álló nedvesítõcsövekben a szénhidrogén-tartalmú áramot vízzel nedvesítik.
1. ábra A leírás terjedelme 10 oldal (ezen belül 3 lap ábra) Az európai szabadalom ellen, megadásának az Európai Szabadalmi Közlönyben való meghirdetésétõl számított kilenc hónapon belül, felszólalást lehet benyújtani az Európai Szabadalmi Hivatalnál. (Európai Szabadalmi Egyezmény 99. cikk (1)) A fordítást a szabadalmas az 1995. évi XXXIII. törvény 84/H. §-a szerint nyújtotta be. A fordítás tartalmi helyességét a Magyar Szabadalmi Hivatal nem vizsgálta.
1
HU 004 454 T2
A jelen találmány exoterm reakciózóna hûtésére szolgáló eljáráshoz és reaktoregységhez kapcsolódik. Speciálisan, az eljárás például víz-gáz eltolási reakciót és/vagy szén-monoxid preferenciális oxidációs reakcióját befoglaló exoterm reakciózóna hûtésére alkalmas. A víz-gáz eltolási, a gõz- és az autoterm reformáló reakciókat rendre az (1) CO+H2O Û CO2+H2 (2) CH4+H2OÛ CO+3H2 (3) CH4+1/2O2Û CO+2H2 egyenletek írják le. Az (1) reakcióegyenlettel leírt víz-gáz eltolási reakció (rövidítve eltolási reakció) egy egyensúlyi exoterm reakció, továbbá az alacsonyabb hõmérsékletek növelik a hidrogénné való átalakulást, feltéve, hogy a gáz kellõen aktív eltolási katalizátorral érintkezik. A (2) reakcióegyenlet szerinti gõzreformáló reakció egy egyensúlyi endoterm reakció, és így a szénhidrogén (jelen esetben például metán) hidrogénné való átalakulásának fokozása hõt igényel. Ennek megfelelõen a szénhidrogén és a szén-monoxid hidrogénné alakítása maximumának elérésénél fontos tényezõ a reakció-hõmérsékletek szabályozása. Autoterm reformálásnál kiindulási anyagként szénhidrogén elégetése történik égetõegység égetõzónájában lángreakciók útján sztöchiometrikusnál kisebb mennyiségû oxigén jelenlétében a (3) reakcióegyenlet szerinti exoterm reakcióval összhangban. További lényeges reakciók a szén-monoxid oxigénnel való exoterm preferenciális oxidációs (Prox) reakciója, valamint a hidrogén vízzé történõ kompetitív oxidációs reakciója a (4) CO+1/2 O2®CO2+H2O (5) H2+1/2 O2®H2O reakcióegyenleteknek megfelelõen. Az (5) számú reakció elfogyasztja a gyakran kívánatos terméket jelentõ hidrogént, miközben a rendelkezésre álló oxigénért versenyben van a (4) számú reakcióval, ezért nemkívánatos reakció. Az US–6,375,924 számú USA-beli bejelentés olyan eltolási folyamatot ismertet, amelynél a hõmérsékletszabályozást részben a reakcióba lépõ gázok vízzel történõ permetezéses hûtése útján valósítják meg. A reformerbõl származó kilépõgázokat a reaktor magashõmérsékletû eltolási zónájába való belépést megelõzõen vizes keverék létrehozása céljából elsõ permetezõhûtõ zónában permetezõhûtésnek vetik alá. A magashõmérsékletû eltolási kilépõterméket a reaktor alacsonyhõmérsékletû eltolási zónájába való belépést megelõzõen második vízzel történõ permetezõhûtésen vezetik át vízzel telített hidrogén termékáram létrehozása céljából. Az EP–0,985,635 számú európai közzétételi irat reformert és eltolási reaktort magában foglaló hidrogénfejlesztõ berendezést ismertet. Elsõ forralóban vizet párologtatnak el és a reformer szénhidrogén kiindulási anyagát az elsõ forralóba táplálják be, ahol az gõzzel keveredik össze. Ezen keveréket vezetik a reformerbe. A reformáláson átesett gázt második forralóba táplál-
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 2
2
ják, ahol az gõzzé alakított vízzel keveredik. Ezen keveréket táplálják be az eltolási reaktorba. Az elpárologtatott víz mennyiségének szabályozása a katalizátorhõmérsékletek szabályozásához vezet. Az EP–1,364,910 számú európai szabadalmi bejelentéssel ekvivalens US–2003/0223925 számú USAbeli szabadalmi bejelentés izoterm eltolási folyamatot tárgyal, ahol szén-monoxid tartalmú kiindulási gázt eltolási reaktorba vezetnek, ahol a reaktorcsövek folyékony hûtõközeggel történõ hûtése mellett az eltolási reakciót lényegében izoterm feltételek mellett hajtják végre, majd a keletkezett hidrogént hidrogénszelektív membránon keresztül diffúziós zónába vezetik. Az eltolási reakció esõfilmes reaktorban forró vízzel hûthetõ, az esõfilm az eltolási reakció lejátszódását megelõzõen a száraz kiindulási gáz nedvesítésére szolgál. A WO 02/085781 A1 számú nemzetközi közzétételi irat szénhidrogénbõl és gõzfázisú vízbõl történõ hidrogénelõállításra szolgáló kompakt gõzreformert tárgyal. A vizet a reakciótermékek hõjét felhasználva nyílásszerû spirális csõvezetéken keresztül párologtatóhûtõben párologtatják el, ezáltal ellenáramú indirekt hõcserével hûtik a reakciótermékeket. Ily módon a víztermelés terhelésben bekövetkezõ változásokhoz való gyors hozzáigazítását valósítják meg. Az US–2,850,360 számú USA-beli szabadalom exoterm reakció indirekt hõcserével történõ hûtésére szolgáló berendezést ismertet. A berendezés csõköteget és köpeny típusú hõcserélõt foglal magában. A csövekben exoterm reakció keretében gázfázisú olefint reagáltatnak kénsavval. Az eredményül kapott terméket vízzel keverik össze és a részlegesen hidrolizált terméket a reaktor köpenyoldalára vezetik a reaktánsokkal megvalósított indirekt hõcsere mellett. A jelen találmánnyal célunk exoterm reakció, például az eltolási reakció és/vagy a szén-monoxid preferenciális oxidációs reakciója, hûtésére szolgáló javított eljárás kidolgozása. A jelen találmánnyal ugyancsak célunk tüzelõanyag-cellák tüzelõanyag-feldolgozó rendszereként alkalmas reaktoregység és eljárás megvalósítása is. A találmány összegzése Az elõzõekkel összhangban a találmány exoterm reakciózóna olyan hûtésére szolgáló eljárásra irányul, ahol szilárd katalizátoros rögzített katalizátorágy katalizált exoterm reakciózónájába (5) vízzel indirekt hõcsere mellett végzett katalizált exoterm reakciókhoz folyamatáramot vezetünk be, a reakciózónából (5) az exoterm reakció hûtött reakciótermékét kinyerjük, azzal jellemezve, hogy – a szilárd katalizátoros rögzített katalizátorágy egy vagy több katalizált exoterm reakció lejátszódását biztosító katalizált exoterm reakciózónáján (5) áthaladó nedvesítõcsövekbe (4) vízáramot és szénhidrogén-tartalmú áramot vezetünk be, – a vízáramot a nedvesítõcsövek (4) belsõ palástja mentén esõfilmként továbbítjuk, – az exoterm reakciózónával (5) indirekt hõcserélõ kapcsolatban álló nedvesítõcsövekben (4) a
1
HU 004 454 T2
szénhidrogén-tartalmú áramot a vízzel nedvesítjük, – a felhevített, nedvesített szénhidrogén-tartalmú áramot a nedvesítõcsövekbõl (4) kinyerjük, és – a felhevített, nedvesített szénhidrogén-tartalmú folyamatáramot további feldolgozás céljából elszállítjuk. A találmány az 1. igénypont szerinti hûtési eljárás foganatosítására szolgáló reaktoregységre is irányul, amelynek reaktor (1) köpenyen belül szilárd katalizátoros rögzített katalizátorággyal rendelkezõ katalizált exoterm reakciózónája (5), folyamatáram számára szolgáló beömlése (6) és folyamatáram reakcióterméke számára szolgáló kiömlése (7) van, azzal jellemezve, hogy a reaktornak (1) szénhidrogén-tartalmú áram számára szolgáló beömlése (2), vízáram számára szolgáló beömlése (3) és a szénhidrogén-tartalmú áram nedvesítésére szolgáló nedvesítõcsövei (4) vannak, valamennyi beömlés folyásirányban a katalizált exoterm reakciózóna (5) elõtt helyezkedik el, a nedvesítõcsövek (4) az exoterm reakciózónán (5) haladnak keresztül, a nedvesítõcsövek (4) mindkét végükön nyitottak és a reakciózónával (5) indirekt hõátadás útján megvalósuló hõcseréhez belsõ palástjuk mentén vízbõl lévõ esõfilm létrehozására vannak alkalmassá téve, továbbá a reaktornak (1) folyásirányban a reakciózóna (5) után kiömlése (11) van. A találmány szerinti eljárásban szénhidrogén-tartalmú áram és vízáram lép be egy katalizált reakciózónával rendelkezõ reaktorba, majd a két áram számos csövön keresztül lefelé halad, miközben a szénhidrogéntartalmú áram vízzel nedvesítõdik. A tekintett csövek a nedvesítõ folyamat számára hõcserével hõt biztosító exoterm reakciózónával rendelkezõ katalizált reakciózónán haladnak keresztül. Az exoterm reakció hûtött reakcióterméke további feldolgozás vagy összegyûjtés céljából a reakciózónából kinyerésre kerül, és a felhevített, nedvesített szénhidrogén-tartalmú folyamatáram – szintén további feldolgozás céljából – elszállításra kerül.
5
10
15
20
25
30
35
40 A rajz rövid ismertetése Az 1. ábra a reaktoregységet az exoterm reakciózónával szemléltetõ vázlatos rajz. A 2. ábra az exoterm reakciózónával rendelkezõ reaktoregységet egy endoterm reakciózónával rendelkezõ reaktorral sorba kapcsolva szemléltetõ folyamatábra. A 3. ábra az exoterm reakciózónával rendelkezõ reaktoregységet ábrázolja vázlatosan egy endoterm reakciózónával rendelkezõ reaktorral integrált formában. A találmány részletes ismertetése Néhány, gõzreformerrel és eltolási reaktorral egyaránt rendelkezõ feldolgozóüzem melléktermékként gõzt tud exportálni. Az exportált gõz minõségével szemben gyakran követelményeket támasztanak. A gõzt folyamatkondenzátum elgõzölögtetésével fejlesztik, amit az (1) és (2) számú reakciók által fel nem használt reagálatlan folyamatgõz és utántöltõvíz együt-
45
50
55
60 3
2
tese képez. A folyamatkondenzátumban rendszerint megjelenõ melléktermékek miatt gyakran van szükség arra, hogy a melléktermékek gõztõl való elválasztásához folyamatkondenzátum sztripperbe, befolyó/kifolyó hõcserélõbe és szivattyúba invesztáljanak. A gõzt jellemzõen víz elõhevítõk, hulladékhõt hasznosító gõzgenerátorok és gõzgyûjtõk rendszerével fejlesztik. Az utántöltõvizet és a folyamatkondenzátumot a gõzgyûjtõbe küldést megelõzõen elõhevítésnek vetik alá. A gõzgyûjtõbõl származó víz hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõkön halad keresztül és részben elpárologtatott formában visszatér a gõzgyûjtõbe. A gõz a víztõl elválik és a gõzgyûjtõbõl távozik. A találmány szerinti eljárás és berendezés a fentiekben ismertetett üzem egységeinek a mûködésébõl sokat egyesítenek magukban, miáltal csökkentik a befektetési költségeket és javítják az eljárás gazdaságosságát. A találmány szerinti eljárást az 1. ábrához kapcsolódóan ismertetjük részletesen. Az 1 reaktorba megfelelõ 2 és 3 beömléseken át szénhidrogén-tartalmú áram és vízáram lép be. A szénhidrogén-tartalmú áram például földgázt (döntõen metánt) vagy nagyobb szénhidrogéneket tartalmaz. Nagyobb szénhidrogéneknek azon szénhidrogéneket tekintjük, amelyek a metánnál nagyobbak, vagyis a C2+ szénhidrogéneket. A szénhidrogén-tartalmú áram az 1 reaktorba történõ belépését megelõzõen hidrogénezõ kénmentesítõ lépésnek alávetve kénmentesíthetõ. A két áram exoterm reakciózónán áthaladó több 4 nedvesítõcsõbe lép be. A vízáramot a 4 nedvesítõcsövek belsõ palástja mentén esõfilmként vezetjük. Miközben a keverék a 4 nedvesítõcsövekben lefelé halad, a vizet elpárologtatjuk és az így képzõdött gõz ezáltal nedvesíti a szénhidrogén-tartalmú áramot. Az elpárologtatáshoz szükséges hõt a 4 csöveken kívül az 5 reakciózónában lejátszódó exoterm reakció biztosítja és ezzel egyidejûleg az exoterm reakciózóna hûtése is megvalósul. Szükség esetén a szénhidrogén-tartalmú áram gõzzel teljesen telíthetõ. Az 5 reakciózónát szilárd katalizátoros rögzített katalizátorágy képezheti. A szilárd katalizátor katalizátorpelleteket, például eltolási katalizátor katalizátorrétegével ellátott strukturált elemek formájában biztosított katalizátoros szerelvényeket és/vagy közvetlenül a csövek külsõ oldalára felhordott katalizátorréteget jelent. A strukturált elemek olyan katalizátorrendszereket takarnak, ahol egy másik anyag felületén katalizátorréteg van rögzítve, a másik anyag a rendszernek szilárdságot adó tartószerkezetként szolgál. Az egyéb anyagot fém vagy kerámia képezheti. Ilyenek például a monolitok, a keresztbordázott szerkezetek, a nagy felületi területtel rendelkezõ szerkezeti elemek, a habok, a lemezek, a csõfalhoz vagy egyéb, arra alkalmas formákhoz csatlakoztatott szerkezetek. A hõfelszabadulással járó kémiai reakció katalizálására az 5 reakciózónában katalizátort használunk. A tekintett kémiai reakciót például az (1) számú egyenlettel megadott exoterm víz-gáz eltolási reakció képezheti, ahol a megfelelõ eltolási katalizátort használjuk. A találmány szerinti eljárás keretében lefolytatható to-
1
HU 004 454 T2
vábbi alkalmas exoterm reakciók közé tartozik a metanol szintézis reakció és a formaldehid szintézis reakció, amelyek mindketten exoterm reakciók. A találmány szerinti eljárás keretében végrehajtható további reakciót jelent a szén-monoxid (4) számú reakcióegyenlettel leírt, exoterm preferenciális oxidációs reakciója. Az 5 reakciózónába folyamatáram a 6 beömlésen keresztül lép be. A szóban forgó folyamatáramot például az 5 reakciózónában további eltolási reakciónak alávetni szükséges reformált gáz képezheti. Az exoterm reakciót azáltal hûtjük, hogy a fejlõdõ hõt a 4 nedvesítõcsövekben lévõ víz elpárologtatására fordítjuk. A reakció lejátszódását követõen az 5 reakciózónából származó termékáram a reaktort 7 kiömlésen keresztül hagyja el. A szénhidrogén-tartalmú áram nedvesítését követõen a szóban forgó áram a 4 nedvesítõcsöveket, majd ezután 8 kiömlésen keresztül az 1 reaktort elhagyja. Szükség esetén a nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram 9 páramentesítõn vezethetõ keresztül, hogy a benne lévõ vízcseppecskék az áram 1 reaktorból való távozását megelõzõen egyesüljenek. Az 1 reaktor elhagyását követõen a nedvesített szénhidrogén-tartalmú áramot további feldolgozás céljából elszállítjuk. A nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram további feldolgozása keretében adiabatikus vagy nem adiabatikus gõzreformáló reakciónak és/vagy autoterm reformáló reakciónak vagy katalizátormentes elgázosításnak vethetõ alá. Amennyiben a nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram reformálására kerül sor, a reformálózónát endoterm vagy exoterm reformálózóna, például egy gõzreformáló-zóna vagy egy autoterm reformálózóna képezheti. Ha a szénhidrogén-tartalmú áram nagyobb szénhidrogéneket foglal magában, a reformálózónát egy elõreformáló zóna képezheti, ahol a nagyobb szénhidrogének irreverzíbilis módon metánná, szén-monoxiddá és szén-dioxiddá alakulnak át. Az elõreformáló lépést ezután például egy gõzreformáló lépés követheti. A találmány egyik változatánál a szénhidrogén-tartalmú áram nedvesítését követõen visszamaradó vízmennyiség a 4 nedvesítõcsöveket elhagyja és az 1 reaktor alján lévõ 10 vízgyûjtõbe hullik alá. A 10 vízgyûjtõ gõzgyûjtõként mûködik és hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõhöz csatlakoztatható. A hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõt például egy (a 3. ábrán 12¹es hivatkozási jellel jelölt) füstgázos gõzfejlesztõ képezheti vagy az kádas gõzfejlesztõként üzemelhet. A gõzfejlesztõvel fejlesztett gõz a nedvesített szénhidrogén-tartalmú áramhoz adható hozzá. Az 1 reaktor vízgyûjtõjének alja víz kinyerésére és szükség esetén a víz 3 beömléshez való visszavezetésére szolgáló 11 kiömléssel van ellátva. Az elõzõekben ismertetett és az 1. ábrán szemléltetett kiviteli alak azon elõnnyel rendelkezik, hogy az egy hagyományos folyamatban a következõket helyettesíti: az eltolási reaktort, a hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõ(ke)t, a folyamatkondenzátum sztrippert, a belépõ/kilépõ hõcserélõt, valamint jelentõs mennyiségû összekötõ csõvezetéket és szerkezeti acélt. Emellett a
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 4
2
megmaradt gõzgyûjtõ és az azzal társított gõzrendszer méretét tekintve jelentõs csökkenésen esett át. A találmány egyik kiviteli alakjánál az exoterm 5 reakciózóna két tartományra van felosztva: egy magashõmérsékletû (HT) eltolási katalizátorral ellátott tartományra és egy alacsonyhõmérsékletû (LT) eltolási katalizátorral ellátott tartományra, ahol az LT katalizátor folyásirányban a HT katalizátor után helyezkedik el. A találmány 1. ábrához kapcsolódó egyik kiviteli alakjánál az exoterm 5 reakciózóna eltolási katalizátor tartományra és folyásirányban az eltolási katalizátor után lévõ Prox katalizátor tartományra van felosztva. A Prox katalizátor tartományba oxigéntartalmú áramot vezetünk be. Egyik kiviteli alakjában a reakciózóna három katalizátortartományra van felosztva, melyek rendre HT eltolási katalizátorral, folyásirányban a HT katalizátor után LT eltolási katalizátorral, valamint folyásirányban az LT eltolási katalizátor után Prox katalizátorral vannak ellátva. Ennek elõnye abban áll, hogy az LT eltolással nyert kilépõtermék hõmérséklete megfelel a Prox szakasz beömlésénél megkövetelt hõmérsékletnek, továbbá a szénhidrogén nedvesítése formájában biztosított hûtés az (5) reakció ellenében a (4) reakció számára optimális szelektivitást biztosít. A Prox szakaszt folyásirányban az LT eltolási katalizátor után az 5 reakciózóna 7 kiömlésén át elhagyó kilépõáram tüzelõanyag-cellába vezethetõ, a kilépõtermék az anódreakcióhoz biztosít hidrogént. A katódreakcióhoz levegõt vagy oxigént más forrásból biztosítunk. A 2. ábra a találmány egy másik kiviteli alakját szemlélteti, ahol az exoterm reakciózóna egy endoterm reakciózónával van sorba kapcsolva, amit a (2) számú reakcióegyenletnek megfelelõ szénhidrogén, például metán reformálásának végrehajtására szolgáló reformálózóna képezhet. Az 1 reaktorba szénhidrogén-tartalmú 20 áram és 21 vízáram lép be. A két áram az exoterm 23 reakciózónán áthaladó 22 nedvesítõcsövekbe lép be. Miközben a szénhidrogénáram-keverék a 22 nedvesítõcsövekben lefelé halad, a vizet elpárologtatjuk és az így elõállított gõz az 1. ábra kapcsán adott kitanításnak megfelelõen nedvesíti a szénhidrogén-tartalmú áramot. A nedvesített szénhidrogén-tartalmú 24 áram távozik az exoterm 23 reakciózónával rendelkezõ 1 reaktorból és belép egy reformáló reakciózónába. A tekintett példában a reformálózóna endoterm, továbbá a reformert egy fûtött, csõ alakú 25 reformerhez kapcsolódóan mutatjuk be. Csõ alakú reformer helyett konvektív reformer ugyancsak használható. A reformálást megelõzõen a nedvesített szénhidrogén-tartalmú 24 áramot adott esetben 26 hõcserélõben a csõ alakú 25 reformerbõl származó 27 füstgázzal hõcserélõ kapcsolatba vihetjük. A csõ alakú 25 reformerben szén-monoxid és hidrogén elõállítása céljából metánt reformálunk, majd ezen 28 termékeket ezt követõen az 1 reaktor 8 reakciózónájába szállítva eltolásnak vetjük alá. Az 1 reaktor vízgyûjtõjébõl adott esetben 29 víz nyerhetõ ki és a csõ alakú 25 reformerbõl származó 27 füstgázzal további 30 hõcserének vethetõ alá. Ennek megfelelõen a 27 füstgáz két hõcserélõ lépésen eshet át, ahol az elsõ lépés a nedvesített szénhidro-
1
HU 004 454 T2
gén-tartalmú 9 árammal való 3 hõcsere, míg a második lépés a 12 vízzel való 4 hõcsere. A 10 füstgáz hõtartalma emellett további célokra is felhasználható, például a kénmentesítést megelõzõen a szénhidrogén-tartalmú áram hevítésére. A találmány egy további változatánál az exoterm reakciózóna egy exoterm autoterm reformálózónával van sorba kapcsolva, amelyben a szénhidrogén-vegyület (3) számú reakcióegyenlet szerinti oxidációja játszódik le. A nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram távozik az exoterm reakciózónával ellátott 1 reaktorból és belép egy autoterm reformerbe. A nedvesített szénhidrogén-tartalmú áramot adott esetben hõforrással hevíthetjük, hogy ezáltal az autoterm reformer megkívánt beömlési hõmérsékletét a reformerbe való belépést megelõzõen elérjük. Adott esetben az áramot elõreformálásnak vethetjük alá, továbbá adott esetben az autoterm reformerbe való belépését megelõzõen újrahevíthetjük azt. Az autoterm reformerbe oxidálóvegyületet tartalmazó további áram szintén belép. Ezen oxidálóvegyületet rendszerint levegõ vagy oxigén képezi. Ezt követõen az autoterm reformerbõl távozó reformált kilépõterméket az 1 reaktor exoterm 8 reakciózónájába szállítjuk. Ha szükséges, a 8 reakciózónába való szállítás közben azt hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõt használva hûtésnek vethetjük alá. Az 1 reaktorban lévõ vízgyûjtõt gõzgyûjtõként használhatjuk. Az 1 reaktor vízgyûjtõjébõl adott esetben a víz kinyerhetõ és folyamatbeli füstgázzal – amely ezzel párhuzamosan lehûl – tovább hevíthetjük. A 3. ábra a találmány egy további kiviteli alakját ábrázolja, ahol az exoterm reakciózónával rendelkezõ 1 reaktor egy endoterm reakciózónával rendelkezõ reaktorral egyetlen egységet képez. Az egyszerûség kedvéért az 1. ábrán használt hivatkozási jelek a 3. ábra esetében is érvényesek. A nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram az 1 reaktort a 8 kiömlésen keresztül hagyja el és belép az endoterm reakciózónába, amit egy reformálózóna képezhet. Jelen esetben a reformálózónát Haldor Topsoe A/S cégtõl származó, HTCR-ként ismert, konvektív 13 reformálócsövek használata mellett mutatjuk be. A 13 reformálócsöveket tûztérbõl származó füstgázzal hevítjük. A reformálócsöveket 14 beömlésen keresztül belépõ és a csövek köpenyoldala mentén a 13 reformálócsöveket körülvevõ 15 hüvelyben felfelé áramló füstgázzal megvalósított hõcsere útján hevítjük. A füstgáz a 15 hüvelybõl való távozását követõen az eltolási szakasz és a 13 reformálócsövek között a 13 reformálócsövekbe továbbított nedvesített szénhidrogén-tartalmú áramhoz képest ellenáramként lefelé halad. A füstgáz hõtartalmának egy részét ezen áram hevítésére használjuk. Ezt követõen a füstgáz az egyesített reaktor 18 kiömlésen keresztül történõ elhagyását megelõzõen a füstgáz hulladékhõjét hasznosító 12 gõzfejlesztõbe lép be. A nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram a 8 kiömlésen át távozik a nedvesítõszakaszból és a reformálócsövek beömlése irányában felfelé halad, miközben hõcserélõ kapcsolatban van a lefelé áramló füstgázzal.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
2
Ennek eredményeként a nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram eléri a 13 reformálócsövek belépési hõmérsékletét. A felhevített áram belép a 13 reformálócsövekbe, ahol reformáláson esik át. A reformált kilépõtermék a reformálócsõ alján lévõ 16 bajonettcsõbe lép be. A 16 bajonettcsövek sugárirányban csatlakoznak az 5 reakciózónával rendelkezõ eltolási szakaszhoz. Ezt követõen a reformált kilépõtermék az 5 reakciózónába jut, ahol az (1) számú egyenletnek megfelelõen hidrogénné és szén-dioxiddá alakul. A víz elõzõekben ismertetett 4 nedvesítõcsövek belsejében zajló elpárologtatása miatti hõelvonás következtében egyidejûleg hûtésre is kerül. Ezután a kilépõtermék áramát a 7 kiömlésen keresztül a további feldolgozáshoz vagy összegyûjtéshez a reakciózónából kinyerjük. A 7 kiömlés a reakciózónában centrálisan helyezkedik el, és alsó tartományában 17 perforációkkal van ellátva, amelyeken keresztül az 1 reaktorból a kilépõtermék árama összegyûjtésre, majd ezt követõen kivezetésre kerül. A 3. ábrán bemutatott egyetlen egységet képezõ reaktoregységgel a szerkezeti acélok és csõvezetékek tekintetében további megtakarítások érhetõk el. A találmány szerinti reaktoregységben a hõátadás oly módon történik, hogy gõzt nem visz magával és így az egység helyettesíti az eltolási reaktort, a hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõ(ke)t és a gõzgyûjtõt, továbbá a társított gõzrendszer teljesen kiküszöbölésre kerül. A találmány szerinti eljárás egy másik elõnye abban áll, hogy az eltolási reakció alacsonyabb egyensúlyi hõmérsékleten játszódik le. Az egyensúlyi hõmérséklet kb. 450 °C¹ról, egy magas hõmérsékletû eltolási reaktor üzemi hõmérsékletérõl, vagy kb. 330 °C¹ról, egy közepeshõmérsékletû eltolási reaktor üzemi hõmérsékletérõl, kb. 225 °C¹ra mérséklõdik. Az alacsonyabb egyensúlyi hõmérséklet eredményeként nagyobb a hidrogénkihozatal, mivel az (1) számú reakció alacsonyabb hõmérsékleten a hidrogénfejlõdésnek kedvez. Ennélfogva a találmány szerinti eljárás és berendezés megnöveli az adott gõzreformerrel vagy autoterm reformerrel rendelkezõ üzem hidrogéntermelõ kapacitását. Ennek eredményeként csökken az adott termelõkapacitás eléréséhez szükséges befektetés mértéke, és ezáltal javul a folyamat gazdaságossága. A találmány szerinti eljárás és reaktoregység egyik további elõnyét azok kismennyiségû hidrogénfejlesztésre való alkalmassága jelenti, ami különösen olyan kisméretû lakótéri vagy kereskedelmi alkalmazásoknál hasznos, ahol kompaktságra, valamint kombinált fûtõés áramfejlesztõ egységre van szükség. Az elõzõekben bemutatott kiviteli alakok különösen alkalmasak protoncserélõ membránnal rendelkezõ tüzelõanyagcellák tüzelõanyag-feldolgozó rendszereiben történõ felhasználásra.
55 SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Eljárás exoterm reakciózóna hûtésére úgy, hogy szilárd katalizátoros rögzített katalizátorágy katalizált 60 exoterm reakciózónájába (5) vízzel indirekt hõcsere 5
1
HU 004 454 T2
mellett végzett katalizált exoterm reakciókhoz folyamatáramot vezetünk be, a reakciózónából (5) az exoterm reakció hûtött reakciótermékét kinyerjük, azzal jellemezve, hogy a szilárd katalizátoros rögzített katalizátorágy egy vagy több katalizált exoterm reakció lejátszódását biztosító katalizált exoterm reakciózónáján (5) áthaladó nedvesítõcsövekbe (4) vízáramot és szénhidrogén-tartalmú áramot vezetünk be, a vízáramot a nedvesítõcsövek (4) belsõ palástja mentén esõfilmként továbbítjuk, az exoterm reakciózónával (5) indirekt hõcserélõ kapcsolatban álló nedvesítõcsövekben (4) a szénhidrogén-tartalmú áramot a vízzel nedvesítjük, a felhevített, nedvesített szénhidrogén-tartalmú áramot a nedvesítõcsövekbõl (4) kinyerjük, és a felhevített, nedvesített szénhidrogén-tartalmú folyamatáramot további feldolgozás céljából elszállítjuk. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, ahol a szénhidrogén-tartalmú áramot vízzel vagy a reakciózónában (5) lejátszódó exoterm reakció hûlése során a nedvesítõcsövekben (4) elõállított gõzzel telítjük. 3. Az 1. vagy a 2. igénypont szerinti eljárás, ahol az exoterm reakcióként víz-gáz eltolási reakciót és/vagy szén-monoxid preferenciális oxidációs reakcióját hajtjuk végre. 4. Az 1–3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, ahol további feldolgozásként adiabatikus vagy nem adiabatikus gõzreformáló reakciót és/vagy autoterm reformáló reakciót vagy katalizátormentes elgázosítást hajtunk végre. 5. Reaktoregység az 1. igénypont szerinti hûtési eljárás foganatosítására, amelynek reaktor (1) köpenyen belül szilárd katalizátoros rögzített katalizátorággyal rendelkezõ katalizált exoterm reakciózónája (5), folyamatáram számára szolgáló beömlése (6) és folyamatáram reakcióterméke számára szolgáló kiömlése (7) van, azzal jellemezve, hogy a reaktornak (1) szénhidrogén-tartalmú áram számára szolgáló beömlése (2), vízáram számára szolgáló beömlése (3) és a szénhid-
5
10
15
20
25
30
35
40
6
2
rogén-tartalmú áram nedvesítésére szolgáló nedvesítõcsövei (4) vannak, valamennyi beömlés folyásirányban a katalizált exoterm reakciózóna (5) elõtt helyezkedik el, a nedvesítõcsövek (4) az exoterm reakciózónán (5) haladnak keresztül, a nedvesítõcsövek (4) mindkét végükön nyitottak és a reakciózónával (5) indirekt hõátadás útján megvalósuló hõcseréhez belsõ palástjuk mentén vízbõl lévõ esõfilm létrehozására vannak alkalmassá téve, továbbá a reaktornak (1) folyásirányban a reakciózóna (5) után kiömlése (11) van. 6. Az 5. igénypont szerinti reaktoregység, amelynek vele sorba kapcsolt adiabatikus vagy nem adiabatikus gõzreformáló reaktora és/vagy autoterm reformáló reaktora vagy katalizátormentes elgázosítóegysége van. 7. Az 5. vagy a 6. igénypont szerinti reaktoregység, amelynek a reaktor (1) köpenyen belül a reakciózónával (5) sugárirányban csatlakoztatott legalább egy katalizált reformálócsövet (13) tartalmazó reformálózónája van, a legalább egy reformálócsõnek (13) a nedvesített szénhidrogén-tartalmú áram reakciózónából való fogadására szolgáló beömlése és a kilépõ reformált folyamatáramot az exoterm reakciózóna (5) beömléséhez (6) odairányító kiömlése van. 8. A 6. vagy a 7. igénypont szerinti reaktoregység, amelynek a reaktor (1) köpenyen belül folyásirányban a reakciózóna után füstgáz hulladékhõt hasznosító gõzfejlesztõje (12) van, a füstgázos gõzfejlesztõnek a gõzfejlesztõt a legalább egy reformálócsõnek (13) hõt biztosító égéstérrel összekapcsoló csõrendszere van, a csõrendszer a füstgáz nedvesített szénhidrogén-tartalmú árammal való indirekt hõcseréjét lehetõvé tevõ kialakítással rendelkezik. 9. Az 5. igénypont szerinti reaktoregység, amelynek víz-gáz eltolási katalizátorral és/vagy szén-monoxid preferenciális oxidációs reakciójához való katalizátorral ellátott katalizált exoterm reakciózónája (5) van. 10. Az 1–9. igénypontok szerinti eljárás és reaktoregység alkalmazása tüzelõanyag-cellák tüzelõanyagfeldolgozó rendszerében.
HU 004 454 T2 Int. Cl.: B01J 8/02
7
HU 004 454 T2 Int. Cl.: B01J 8/02
8
HU 004 454 T2 Int. Cl.: B01J 8/02
9
Kiadja a Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest Felelõs vezetõ: Törõcsik Zsuzsanna Windor Bt., Budapest