專利名稱：用于催化重整烴或醇的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于催化重整烴或醇的技術(shù)。
氫的可用性是在移動或固定的設(shè)備中使用的燃料單元的基本條件。在燃料單元的使用越來越頻繁時，如在汽車中，是很有意義的，操作汽車的能發(fā)動單位限于一種能源，如甲醇、汽油或柴油而不是由不同能源供料每一種能發(fā)動單元，例如一種用于奧托-發(fā)動機(jī)的驅(qū)動，柴油適于加熱設(shè)備而甲醇適于空調(diào)或供電力的燃料單元，為此，就產(chǎn)生企圖以采用普通的燃料生產(chǎn)用于燃料單元所需的氫。
重整高級烴或醇成為氫是一種在工業(yè)上已用的方法。但是使用這種重整方法以制備燃料單元的氫，到目前為止已知設(shè)備相當(dāng)龐大且不適于移動設(shè)備如汽車的使用。另一個問題是用于重整高級烴或醇以生產(chǎn)用于燃料單元的氫是重整的化學(xué)過程的復(fù)雜性并且因而反應(yīng)進(jìn)行困難。因此用于重整烴或醇的已知成套設(shè)備包括昂貴的控制設(shè)備以及處理復(fù)雜的反應(yīng)過程的控制因此不適用于移動設(shè)備，如汽車。
因此本發(fā)明的目的，提供一種改進(jìn)的方法和設(shè)備以用于重整高級烴或醇。如汽油、柴油、甲醇或甲烷，以易于生產(chǎn)在移動設(shè)備的燃料單元，尤其是汽車用的氫。
這任務(wù)可通過按本發(fā)明的獨立權(quán)利要求1和獨立權(quán)利要求13的設(shè)備而得到解決。
在重整烴或醇時，在影響復(fù)雜相互聯(lián)系的各種中間反應(yīng)中可配置和使用具有微反應(yīng)器和微管道的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，它可以有高的選擇性。在微反應(yīng)器中的小尺寸的反應(yīng)室簡化了反應(yīng)過程的控制和操作，從而降低了設(shè)備的費用。
另一個優(yōu)點是，微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)特別適用于非工業(yè)領(lǐng)域中用于氫的生產(chǎn)的設(shè)備，因為與已知設(shè)備(工業(yè)用)相比設(shè)備所需空間顯著減少。除了可在移動設(shè)備中應(yīng)用外，重整產(chǎn)生的氫例如可用于家庭能源系統(tǒng)的燃料單元中。
按本發(fā)明的另一實用方面是工藝控制裝置包括在至少一部分涉及的管道Kmj中包含控制所用的調(diào)節(jié)閥Vmj(m＝1，2...；j＝2，3...)，且通過至少部分管道Kmj借助于操作調(diào)節(jié)閥Vmj調(diào)整多個中間反應(yīng)TK的原料和/或反應(yīng)產(chǎn)物的輸送。用這種方法可使原料和/或微反應(yīng)器間的反應(yīng)產(chǎn)物的流量可以對不同應(yīng)用情況下的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最優(yōu)化。
本發(fā)明再一方面，是在一個或所有管道Kmj中至少輸入一個另外的反應(yīng)物質(zhì)和/或一種或所有原料的另外的量，以便通過預(yù)混合而控制過程參量。由此可有目的地控制在單獨的微反應(yīng)器中反應(yīng)的發(fā)生過程。例如，通過提供另一反應(yīng)物質(zhì)或一種或所有的原料的另外的量可移動在微反應(yīng)器中之一反應(yīng)的化學(xué)平衡。在CO選擇性氧化為CO2中所生成H2/CO2-混合物在平衡條件(水平衡)下對選擇性氧化反應(yīng)進(jìn)行反作用。只有當(dāng)向管道供給濕潤空氣時，水平衡可移向優(yōu)選方向。為此，一個優(yōu)選實施方案提出供給氣體作為另一反應(yīng)物質(zhì)以控制過程參數(shù)。
按本發(fā)明的二個適宜改變，提供通過過程控制裝置控制過程參數(shù)以至少在部分反應(yīng)器TK部分是高表離反應(yīng)平衡。在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的微反應(yīng)器中的反應(yīng)可有目的地產(chǎn)生所希望的反應(yīng)產(chǎn)物。
為使在重整烴或醇的化學(xué)反應(yīng)達(dá)到最優(yōu)化以增加效率可按本發(fā)明的有利實施方案而達(dá)到，在一個微反應(yīng)器Rx(1≤x≤n)的反應(yīng)器室RRx(1≤x≤p)產(chǎn)生互補(bǔ)的反應(yīng)物，是通過一個或多個管道Kmj從反應(yīng)器室RRx輸送到至少另一個反應(yīng)器室RRy(l≤y≤p，x≠y)而且在這另一個反應(yīng)器室RRy中進(jìn)行反應(yīng)。除了以這種方式得到反應(yīng)物的反饋外，尤其是在微反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中不同微反應(yīng)器之間進(jìn)行熱量反饋可用于對化學(xué)反應(yīng)的有利影響?？衫梅艧岱磻?yīng)產(chǎn)生的熱能來刺激或控制另一個反應(yīng)器中的吸熱反應(yīng)以便反應(yīng)自動進(jìn)行。
在重整烴或醇中優(yōu)選的是，至少在另一個反應(yīng)器室RRy中添加反應(yīng)物質(zhì)水蒸氣以進(jìn)行蒸汽重整。微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)可以有目的地使用微反應(yīng)器中之一以生產(chǎn)另外的反應(yīng)產(chǎn)物，這種產(chǎn)物以后用于一個或多個另外的微反應(yīng)器中以在其中實施各自的化學(xué)反應(yīng)。
另一個優(yōu)化是在重整中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)的效率是按本發(fā)明另一個優(yōu)選方法而達(dá)到，其中，通過至少一個管道Kmj從一個微反應(yīng)器Rn的反應(yīng)產(chǎn)物送回到另一個微反應(yīng)器Rn。
如果要求提供大體積某種確定的中間產(chǎn)物，可按本發(fā)明另一個優(yōu)選的方法，即在多個微反應(yīng)器Rn以并聯(lián)進(jìn)行中間反應(yīng)器TK。用這種方法如要求時可增加確定原料。
為了對在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的微反應(yīng)器中進(jìn)行的中間反應(yīng)施以有目的的控制，可按本發(fā)明的又一個有利方法配置，通過在過程控制裝置中裝有的溫度調(diào)節(jié)裝置以進(jìn)行控制，且使用該溫度調(diào)節(jié)裝置對反應(yīng)器室RRp進(jìn)行單獨的加熱或冷卻。以此方法使在反應(yīng)器室RRp中的中間反應(yīng)的溫度性質(zhì)可進(jìn)行單獨的考慮。
按本發(fā)明的再一個優(yōu)選的方法，微反應(yīng)器Rn在一塊基板上構(gòu)成，且通過一個基板溫度調(diào)節(jié)裝置而使基板可預(yù)熱和/或預(yù)冷卻以加熱或冷卻微反應(yīng)器Rn。這就降低了用于調(diào)節(jié)微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的多個微反應(yīng)器的規(guī)定起始溫度所需費用。這樣可以建立一種適于有關(guān)應(yīng)用的反應(yīng)環(huán)境。
從屬設(shè)備權(quán)利要求的優(yōu)點相當(dāng)于各方法的權(quán)利要求。
本發(fā)明將通過實施例并參考附圖進(jìn)一步進(jìn)行描述，其中

圖1表示用于催化凈化有CO的氫氣流的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)；圖2表示用于重整甲醇的有五個微反應(yīng)器的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)；圖3表示圖2的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，它具有一個用于選擇性CO氧化的下接反應(yīng)器鏈；圖4表示圖2的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，其中在微反應(yīng)器R2和R4之間的管道是關(guān)閉的；圖5表示圖3的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，其中在微反應(yīng)器R2和R4之間的管道是關(guān)閉的；圖6表示用于甲烷蒸氣重整的另一個微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)；圖7從側(cè)面看微反應(yīng)器裝置的概略示圖；圖8表示圖7所示的微反應(yīng)器裝置的基板；圖9表示圖7所示的微反應(yīng)器裝置的冷卻板；它包括熱流量φ的概略示圖；圖10表示圖7的微反應(yīng)裝置的加熱板，它包括加熱器系列。
圖1是一個包括有多個微反應(yīng)器R1...R4的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的概略示圖。在該微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中可進(jìn)行高選擇性地、多級的、多相地將氫氣中含有的一氧化碳(CO)經(jīng)催化氧化轉(zhuǎn)換為二氧化碳(CO2)，而同時不對氫氣進(jìn)行明顯的氧化，微反應(yīng)器R1至R4各有反應(yīng)器室RR1...RR4。反應(yīng)器室RR1-RR4由管道K12、K23和K34相互連接。通過管道K12、K23和K34反應(yīng)物可在反應(yīng)器室RR1-RR4之間輸送。微反應(yīng)器R1-R4優(yōu)選設(shè)計成按國際專利PCT/DE01/02509所規(guī)定的，成為其中可流過H2/CO混合氣的催化的管狀反應(yīng)器。微反應(yīng)器R1-R4和管道K12、K23和K34在基板1上構(gòu)成，其中伸展有加熱器導(dǎo)線2，使得基板1能保持在規(guī)定的基本溫度。如在國際專利申請PCT/DE01/02509所公布的那樣，化學(xué)催化劑放置在每個反應(yīng)器室RR1-RR4中。
除了通過加熱導(dǎo)線2對基板1進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)外，有時也可以單獨地加熱反應(yīng)器室RR1-RR4，使得它們的溫度高于基板1的基本溫度。在反應(yīng)器室RR1-RR4中每一個溫度可通過各自的溫度傳感器4進(jìn)行測量。由溫度傳感器4獲得的測量的數(shù)據(jù)，通過控制設(shè)備的處理后用于調(diào)節(jié)反應(yīng)器室RR1-RR4的各自加熱的溫度。
管道K12、K23和K34包括用于供應(yīng)另外氣體的入口5、6。這樣在每個反應(yīng)室RR1-RR4的前面引入氣體以影響在內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。在由CO催化氧化到CO2的情況下，由進(jìn)氣口5，6一方面加入濕空氣和另一方面加入H2/CO-混合氣。這相當(dāng)于控制前面的混合。為了在包括微反應(yīng)器R1-R4的整個微反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中建立遠(yuǎn)離平衡的狀態(tài)，并保持該狀態(tài)進(jìn)行了前面的混合，這大大提高了在有H2存在下由CO變?yōu)镃O2的催化氧化的選擇性。通過由進(jìn)氣口5加入濕潤空氣并適當(dāng)選擇流速可有助于在從CO氧化到CO2中避免調(diào)節(jié)平衡條件。
微反應(yīng)器室RR1-RR4優(yōu)選是以直徑約≤2cm且高約≤5mm的扁平圓筒構(gòu)成。這些反應(yīng)器室RR1-RR4由管道K12、K23和K34相互直線連接。管道K12、K23和K34優(yōu)選為寬約≤3mm和高約≤3mm。由此整個微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的尺寸僅為幾厘米。
借助圖1所描述的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)可以在有大量的氫氣存在下以高選擇性地催化氧化H2/CO混合氣中的CO。經(jīng)這種方法提純的氫氣適用于作燃料單元用的燃料，因為在留剩氣體中的CO含量在100ppm以下。由于微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的尺寸小對包含單個反應(yīng)器室RR1-RR4和管道K12、K23、K34的基板1的反應(yīng)所需要的用以保持微反應(yīng)器的溫度僅以很少的費用。使用以鋁制成的基板1使微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)重量很輕。而且微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的緊湊結(jié)構(gòu)使其在進(jìn)行CO的催化氧化時僅需很少的能源消費?；?也可由陶瓷，尤其是泡沫陶瓷構(gòu)成。這種方案具有優(yōu)點，由于陶瓷是一種不導(dǎo)電的材料，因此使其易于導(dǎo)入加熱器導(dǎo)線2。
對微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的這種方案，圖1所示的裝置尤其適用于移動燃料單元的成套裝置，如用于汽車。
圖2至圖6說明的是催化重整醇或高級烴(KW)的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。與圖1所示其中微反應(yīng)器R1-R4以直線鏈方式的相繼聯(lián)接的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)不同，在圖2至圖6所示的，在對在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中的微反應(yīng)器R1...R5構(gòu)成一個微反應(yīng)器可與多個另外微反應(yīng)器相互連結(jié)的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)而且在微反應(yīng)器之間可以進(jìn)行反饋。
圖2所示為一個用于重整甲醇的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。原料甲醇進(jìn)入微反應(yīng)器R1并汽化。汽化的甲醇通過管道K12和K14進(jìn)入微反應(yīng)器R2和R4中。在微反應(yīng)器R2中甲醇催化分解。
微反應(yīng)器R4通過管道K24而與微反應(yīng)器R2相通，通過管道K14與微反應(yīng)器R1相通和通過管道K54與微反應(yīng)器R5相通。在微反應(yīng)器R4中通過甲醇以預(yù)混合進(jìn)行水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng)(甲醇-蒸氣-重整)。通過管道K14汽化的甲醇到達(dá)微反應(yīng)器R4。在微反應(yīng)器R2中甲醇催化分解產(chǎn)物和CO以及H2，經(jīng)管道K24進(jìn)入微反應(yīng)器R4。另外，由在微反應(yīng)器R5的水所含的過熱水蒸汽，經(jīng)管道K54而供入微反應(yīng)器R4。
在微反應(yīng)器R3中進(jìn)行同樣的水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng)，但不是在微反應(yīng)器R4它沒有預(yù)混合。最后，微反應(yīng)器R3通過圖1中的管道K23與微反應(yīng)器R2相通，使得CO和H2能直接進(jìn)入微反應(yīng)器R3中。通過管道K53過熱的水蒸氣通過管道53引入微反應(yīng)器R3中。微反應(yīng)器R4和R3的原料是CO、CO2、H2。
按圖2在微反應(yīng)器R1-R5間的管道各自配有調(diào)節(jié)閥V12，V13，V14，...等，這樣通過這些管道的物質(zhì)輸送或可以進(jìn)行或可以阻斷。用箭頭標(biāo)志的調(diào)節(jié)閥是開的，如閥V12和V53，而其他的調(diào)節(jié)閥如V25和V15是關(guān)閉的。
圖3是按圖2的微反應(yīng)器，其管道K24是關(guān)閉的。這就意味著，在圖3所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中在微反應(yīng)器R3以及微反應(yīng)器R4沒有經(jīng)預(yù)混，而可進(jìn)行甲醇蒸汽重整和水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng)。
圖4和圖5所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)是分別包括圖2或圖3所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。在圖4和圖5的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中是除了圖2和圖3的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)外還包括微反應(yīng)器R6、R7和R8的下接反應(yīng)器鏈，用于在氫氣存在下的CO的選擇性氧化。這些微反應(yīng)器R6-R8由類似于圖1所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的直線反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)而體現(xiàn)而且它們的加入是為了降低重整過程原料氣體混合物中的CO含量。經(jīng)管道K36和K46產(chǎn)物CO、CO2和H2離開微反應(yīng)器R3和R4進(jìn)入微反應(yīng)器R6。通過管道100在微反應(yīng)器R6，以及微反應(yīng)器R7和R8中加入由微反應(yīng)器R5產(chǎn)生的過熱水蒸汽和經(jīng)過蒸汽濕潤的空氣。用這種方法，因有選擇地氧化CO為CO2而消除H2/CO2氣體混合物的影響。
圖6所示為一個包含微反應(yīng)器R1-R7的用于進(jìn)行蒸汽重整甲烷的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)。甲烷的蒸汽重整主要是在包括微反應(yīng)器R1-R5的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的部分中進(jìn)行。微反應(yīng)器R6和R7是以直線反應(yīng)器鏈在下面連結(jié)作為用于凈化一氧化碳用鏈。圖6所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)運行模式將以甲烷示例在下面說明。但它可適用于蒸汽重整任何所要求的烴(KW)。
將要重整的甲烷輸進(jìn)微反應(yīng)器R1中并進(jìn)行預(yù)熱。然后經(jīng)管道K13使甲烷進(jìn)入微反應(yīng)器R3，在R3中與水蒸汽催化混合，并進(jìn)行部分重整。水蒸汽經(jīng)管道K23從微反應(yīng)器R2輸送到微反應(yīng)器R3。隨后經(jīng)部分重整的甲烷經(jīng)管道K34輸送到微反應(yīng)器R4中。這里在更高的溫度下繼續(xù)進(jìn)行重整反應(yīng)。經(jīng)管道K24水蒸汽輸入微反應(yīng)器R4中。反應(yīng)產(chǎn)物CO和H2以氣體混合物形式由微反應(yīng)器R4輸入到微反應(yīng)器R5。在這里如在微反應(yīng)器R6和R7一樣添加濕潤空氣以催化純化氫氣。
一氧化碳的提純，即在微反應(yīng)器R6和R7中選擇性氧化CO為CO2是放熱反應(yīng)。在這里產(chǎn)生的熱量被回送到微反應(yīng)器R1至R4中，因為在這些微反應(yīng)器中的發(fā)生的過程(在R3和R4)是吸熱過程因而需要輸入能量，尤其是在微反應(yīng)器R1中要預(yù)熱甲烷并在微反應(yīng)器R2中的水的氣化過程。因此方法雖然不能完全確?；瘜W(xué)反應(yīng)的自供熱，但所得的熱平衡達(dá)到盡可能地最好。
在圖2至圖6中的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的微反應(yīng)器就其單個尺寸和結(jié)構(gòu)類似于圖1所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中的微反應(yīng)器。同樣按圖2至圖6所示的在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的微反應(yīng)器間的管道相應(yīng)于圖1所示的管道。而且配置成這樣，優(yōu)選地，圖2至6的微反應(yīng)器是在一個共同的基板上構(gòu)成，該基板如圖1所述，要加熱或冷卻到基本溫度?；逖b有各種加熱裝置以用于單獨提高各個微反應(yīng)器的溫度到高于基本溫度的溫度。不同的加熱裝置可與控制裝置相聯(lián)，它們控制各個加熱器裝置相應(yīng)于通過微反應(yīng)器中的各溫度傳感器測量溫度。在最簡單的情況下，各自的加熱裝置是配置在有關(guān)微反應(yīng)器附近的基板中的加熱器導(dǎo)線。這樣可以對有催化劑的微反應(yīng)器的特定面積進(jìn)行供熱。
圖7是一個微反應(yīng)器裝置70的側(cè)視圖。兩基板71和72形成有微反應(yīng)器和相互聯(lián)接的微反應(yīng)器管道(沒有示出)。在基板71和73的上面和下面分別配置各自的冷卻板73和74。加熱板75和76分別安置在冷卻板73的上面和74的下面，以保持在基板71和72中的微反應(yīng)器在所規(guī)定的基板溫度中，作為用于基板、加熱板和冷卻板的材料可以是具有適當(dāng)熱傳導(dǎo)性的材料。在微反應(yīng)器70的情況下優(yōu)選的材料是金屬，特別是分別用于加熱器和冷卻板75、76和73、74的是黃銅。容納催化劑材料的基板72，是由鉻-鎳-鋼構(gòu)成，它方便地涂有化學(xué)催化劑；基板71優(yōu)選是由銅所制，以達(dá)到最大的導(dǎo)電能力。
以下參閱圖8至10詳細(xì)描述構(gòu)建微反應(yīng)裝置70的單元實施。如圖8所示基板71是包括有14個反應(yīng)器室RK1，...，RK14的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，在這里進(jìn)行甲醇的催化重整接著進(jìn)行CO純化?；?1有幾厘米的長度，優(yōu)選約為25cm，且寬僅幾厘米，優(yōu)選約為7cm。反應(yīng)器室RK1到反應(yīng)器室RK13或RK14的距離約16cm。兩相鄰的反應(yīng)器室間的距離，如反應(yīng)器室RK3和RK4或反應(yīng)器室PK7和PK8間的距離約4cm?；?2具有與基板71相同的結(jié)構(gòu)。對指出的尺寸是實施例，對微反應(yīng)器裝置70可以更小以進(jìn)一步小型化。
反應(yīng)器室RK1...RK14用管道80相互聯(lián)接。每個反應(yīng)器室RK1-RK14具有自己的加熱系統(tǒng)進(jìn)行加熱，例如通過套筒型加熱器，并以熱電偶元件方式配有傳感器以測量溫度，微反應(yīng)器室RK1-RK14和在它們之間的管道80相當(dāng)于圖1所示的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中的微反應(yīng)器和管道。
在微反應(yīng)裝置70甲醇(CH3OH)和水(H2O)進(jìn)行氣化，緊接著在多級過程中進(jìn)行催化反應(yīng)(重整)包括預(yù)混甲醇和水而轉(zhuǎn)換(重整)為氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)混合物。此后，含于氣體混合物中的一氧化碳(CO)部分在另一個多級過程進(jìn)行多相的，催化氧化以形成二氧化碳，而同時沒有顯著量的氫氣進(jìn)行氧化。
往微反應(yīng)室RK1中注入液態(tài)甲醇，且往反應(yīng)器室RK2中注入液體水。通過進(jìn)氣口81將空氣注入微反應(yīng)室的系統(tǒng)中并經(jīng)過進(jìn)氣口81并通過流進(jìn)氣口81的進(jìn)入的管道流入反應(yīng)器室PK9至PK14中。液態(tài)的甲醇在反應(yīng)器室RK1中氣化并由反應(yīng)器室RK1流出經(jīng)管道導(dǎo)入反應(yīng)器室RK3至RK6。液態(tài)水在反應(yīng)器室RK2中汽化并通過管道從反應(yīng)器室RK2流入進(jìn)入反應(yīng)器室RK3至RK14。
在反應(yīng)器室RK3和RK4中進(jìn)行第一級的每個甲醇重整(無預(yù)混合)。在反應(yīng)室RK5和RK6中進(jìn)行第二級的甲醇重整，這里甲醇和水每一個和由反應(yīng)器室RK3和RK4得到的反應(yīng)產(chǎn)物(H2，CO2，CO)預(yù)混合。在反應(yīng)器室RK5和RK6中除了發(fā)生甲醇重整外已經(jīng)開始部分水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng)。與一級的甲醇重整相比提供了改進(jìn)的能量平衡，因為在放熱的水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng)所排放的熱量可直接用于強(qiáng)烈吸熱的重整過程。
由反應(yīng)器室RK5和RK6得到的產(chǎn)物和加入其中的水蒸汽經(jīng)各自的管道輸送到反應(yīng)器室RK7和RK8。這里主要進(jìn)行由CO和H2O的水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng)成為CO2和H2，尚留有CO殘余量。為了使CO-殘留量轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，在反應(yīng)器室RK7的下面連結(jié)反應(yīng)器室RK9，RK11和RK13的鏈而反應(yīng)器室RK8的下面連結(jié)有反應(yīng)器室RK10，RK12和RK14的鏈。這兩個反應(yīng)室鏈RK9-RK11-RK13和RK10-RK12-RK14是便于設(shè)計的，按國際專利申請PCT/DE 01/02509所述。在每個RK9至RK14的反應(yīng)器室中除單個CO2/CO/H2-氣體混合物外并由反應(yīng)器室RK1得到水蒸汽和空氣混合。這導(dǎo)致在反應(yīng)器室RK9至RK14中的高選擇性的CO-氧化，這就是說在反應(yīng)室RK9-RK11-RK13和RK10-RK12-RK14部分中幾乎完全氧化CO的剩余部分成為CO2而同時抑制H2的氧化。其產(chǎn)品CO2和H2由排氣口82(參見圖8)離開微反應(yīng)裝置70。
在圖8中在基板71右邊的反應(yīng)器室中發(fā)生的反應(yīng)(在反應(yīng)器室PK9至PK14中進(jìn)行選擇氧化且在反應(yīng)器室PK7和PK8中進(jìn)行水-氣-轉(zhuǎn)移反應(yīng))是放熱反應(yīng)。這也適用于反應(yīng)器室RK3和RK6中的反應(yīng)。與此相反，在反應(yīng)器室RK3和RK4中進(jìn)行甲醇的重整和在反應(yīng)室RK5和RK6的部分反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，即需要熱量。同樣在反應(yīng)器室RK1和RK2中對甲醇和水的氣化也需要供熱。為了得到最佳的熱平衡，在基板71和72的上面和下面分別配置了冷卻板73和74(參見圖7)，這樣的配置適于將熱流量φ從放熱反應(yīng)處輸往吸熱反應(yīng)和氣化過程處。圖9說明了冷卻板73的實例從頂部看，包括KP1...KP14的冷卻板區(qū)，它們配置在位于基板72中的微反應(yīng)器室RK1至RK14的下面。熱流φ按箭頭90流動。
在一個有利的實施方案中可設(shè)計成，在管道80中的氣體要以這樣的方式相互輸送熱量以致使由放熱反應(yīng)放出的能通過熱交換傳送到吸熱反應(yīng)。這樣例如可通過基板71或72中的交錯配置反應(yīng)器室RK1-RK14來實現(xiàn)。
實驗室模型的結(jié)構(gòu)尺寸使其必須對微反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)提供外部的基本加熱以使微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)保持在預(yù)定的基本溫度上。圖10所示為加熱板76的俯視圖。加熱管道100是圍繞加熱板范圍HP1...HP14而配置，它們位于基板72上構(gòu)成的微反應(yīng)器室RK1-RK14下面的加熱板76上，這樣，微反應(yīng)器室RK1-RK14由下面加熱。加熱板75設(shè)計成類似于加熱板76且置于冷卻板73的上面以用于由上面加熱在基板71上的反應(yīng)器室RK1-RK14(參見圖7)。
借助于加熱板75和76分別對基板71，72另外加以基本熱量使每個反應(yīng)器室RK1-RK14能單獨加熱，使得各個反應(yīng)室器的溫度能高于相應(yīng)基板71或72的基本溫度。在微反應(yīng)裝置70中為此應(yīng)用了14個筒式加熱器。除了在每個加熱筒頂部測量溫度外，在反應(yīng)器R1至R14的反應(yīng)器室的溫度通過另外的溫度傳感器進(jìn)行單獨測量。這里由單獨的溫度傳感器得到的數(shù)據(jù)，由一個控制裝置(不示出)進(jìn)行處理，并用于通過反應(yīng)器室RK1至RK14的單獨加熱而再調(diào)節(jié)溫度。
在一個具有小尺寸的筒式加熱器可用加熱器導(dǎo)線代替，它用催化劑材料涂層。這樣可節(jié)省能量并可以使基板71或72的基本加熱降到更低的溫度。此外還能達(dá)到更好的熱交換平衡。
在上面的說明書、權(quán)利要求和附圖公開的本發(fā)明的特征主要是以各種實施方案實施本發(fā)明，不僅是單個而且可以是任意組合體。
權(quán)利要求
1.一種以多個中間反應(yīng)TK(K＝1，2，...)催化重整烴或醇為氫氣的方法，其特征為，中間反應(yīng)TK是在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中單獨和/或至少由兩個的多個中間反應(yīng)組成的組合體而實施。該微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)包含微反應(yīng)器Rn(n＝1，2，...)且在微反應(yīng)器Rn間形成的管道Kmj(m＝1，2...；j＝2，3...)，多個中間反應(yīng)TK的原料和/或反應(yīng)產(chǎn)物通過在微反應(yīng)器的反應(yīng)器室RRp(p＝1，2...)之間的至少部分管道Kmj進(jìn)行輸送，且在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中多個中間反應(yīng)TK的方法過程中是由用于控制過程參數(shù)的過程控制裝置進(jìn)行控制。
2.按權(quán)利要求1的方法，其特征在于，方法控制裝置包括在至少所述部分管道Kmj中有調(diào)節(jié)閥Vmj(m＝1，2，...；j＝2，3，...)，并且多個中間反應(yīng)TK的原料和/或反應(yīng)產(chǎn)物通過至少部分管道Kmj的輸送是由操作調(diào)節(jié)閥Vmj進(jìn)行控制。
3.按權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，在一個或所有管道Kmj中，加入至少一種另外的反應(yīng)物和/或另外量的一種或所有的原料以通過預(yù)混合而進(jìn)行控制方法參數(shù)。
4.按權(quán)利要求3的方法，其特征在于，用于控制方法的參數(shù)的另一個反應(yīng)物質(zhì)是加入的氣體。
5.按前述權(quán)利要求中之一的方法，其特征在于，方法參數(shù)由過程控制裝置進(jìn)行控制以實施至少部分中間反應(yīng)TK遠(yuǎn)離反應(yīng)平衡。
6.按前述權(quán)利要求中之一的方法，其特征在于，在微反應(yīng)器Rx(1≤x≤n)的反應(yīng)器室RRx(1≤x≤p)中產(chǎn)生的附加反應(yīng)物，是通過一個或多個管道(Kmj)由反應(yīng)器室RRx輸送到至少另一個反應(yīng)器室RRy(1≤y≤p，x≠y)并在另一反應(yīng)器室RRy中進(jìn)行處理。
7.按權(quán)利要求6的方法，其特征在于，附加的反應(yīng)物質(zhì)是水蒸汽用于在至少另一反應(yīng)器室RRy進(jìn)行蒸汽重整。
8.按前述權(quán)利要求中之一的方法，其特征在于，反應(yīng)產(chǎn)物通過至少一個管道Kmj由一個微反應(yīng)器Rn返回到另一微反應(yīng)器Rn。
9.按前述權(quán)利要求中之一的方法，其特征在于，中間反應(yīng)TK之一是在多個微反應(yīng)器Rn中之一平行進(jìn)行。
10.按前述權(quán)利要求中之一的方法，其特征在于，過程控制裝置包括溫度控制裝置，并通過溫度控制裝置單獨地進(jìn)行加熱或冷卻反應(yīng)器室RRp。
11.按權(quán)利要求10的方法，其特征在于，溫度控制裝置的調(diào)節(jié)取決于在反應(yīng)器室RRp中的催化劑層中所測量的溫度而實施。
12.按前述權(quán)利要求中之一的方法，其特征在于，微反應(yīng)器Rn在一基板中構(gòu)成，借助于基板一溫度調(diào)節(jié)裝置對基板預(yù)加熱和/或預(yù)冷卻以對微反器Rn進(jìn)行加熱和/或冷卻。
13.一種以多個中間反應(yīng)TK(K＝1，2，...)催化重整烴或醇轉(zhuǎn)換為氫氣的設(shè)備，其特征在于，包含微反應(yīng)器Rn(n＝1，2，...)的微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)，每個反應(yīng)器包含至少一個反應(yīng)器室RRp(p＝1，2，...)并通過在微反應(yīng)器Rn間構(gòu)建的管道Kmj(m＝1，2...；j＝1，2...)，以在微反應(yīng)器(R1...Rn)的反應(yīng)器室RRp之間傳輸多個中間反應(yīng)TK的原料和/或反應(yīng)產(chǎn)物，并通過過程控制裝置控制多個中間反應(yīng)TK的過程參數(shù)。
14.按權(quán)利要求13的設(shè)備，其特征在于，至少有部分微反應(yīng)器Rn是以直線鏈的形式按順序配置微反應(yīng)器。
15.按權(quán)利要求13或14的設(shè)備，其特征在于，至少另一部分微反應(yīng)器Rn通過管道Kmj而相互連結(jié)，這樣使得另部分的微反應(yīng)器Rn的每一個微反應(yīng)器與反應(yīng)器Rn的另一部分的每一個其它反應(yīng)器經(jīng)管道Kmj而相通。
16.按權(quán)利要求13至15中之一的設(shè)備，其特征在于，在至少部分反應(yīng)器室RRp中各配置催化劑。
17.按權(quán)利要求13至16中之一的設(shè)備，其特征在于，在至少部分管道Kmj中各配有氣體入口用于進(jìn)料氣體。
18.按權(quán)利要求13至17中之一的設(shè)備，其特征在于，在管道Kmj中安置有用于調(diào)節(jié)流量的各自的調(diào)節(jié)裝置。
19.按權(quán)利要求13至18中之一的設(shè)備，其特征在于，微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)是在一塊基板中構(gòu)成的。
20.按權(quán)利要求19的設(shè)備，其特征在于，該基板包含有一個用于加熱/冷卻微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的溫度控制裝置。
21.按權(quán)利要求13至20中之一的設(shè)備，其特征在于，通過有微反應(yīng)器R1...Rx(x＜p)的反應(yīng)器板以重整烴或醇并通過有微反應(yīng)器Rx+1...Rp的下面連接的反應(yīng)器板以選擇性CO-氧化反應(yīng)。
22.按權(quán)利要求13至21中之一的裝置，其特征在于，微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)的外形尺寸是有幾個厘米。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于以多個中間反應(yīng)催化重整烴或醇的裝置和方法。多個中間反應(yīng)在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中以單獨或至少兩個中間反應(yīng)組合進(jìn)行，該微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)包含微反應(yīng)器和在在所述微反應(yīng)器之間的管道，多個中間反應(yīng)的原料和/或反應(yīng)產(chǎn)物是通過至少在微反應(yīng)器中的反應(yīng)器室之間的部分管道進(jìn)行輸送。在微反應(yīng)器網(wǎng)絡(luò)中的多個中間反應(yīng)的反應(yīng)進(jìn)程是由用于控制反應(yīng)參數(shù)的過程控制器進(jìn)行控制。
文檔編號C01B3/34GK1524012SQ02810751
公開日2004年8月25日 申請日期2002年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月12日
發(fā)明者彼得·J·普拉思, 厄恩斯特－克里斯托弗·哈斯, 馬格努斯·比勒特, 彼得 J 普拉思, 斯 比勒特, 特-克里斯托弗 哈斯 申請人:米爾·化學(xué)有限責(zé)任公司, 米爾 化學(xué)有限責(zé)任公司