ES2340760T3 - Procesador compacto de combustible para producir un gas rico en hidrogeno. - Google Patents

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Abstract

Un aparato para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno, que comprende una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, donde cada módulo de la pluralidad de módulos incluye: una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de una corriente de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo, y un núcleo de procesamiento que está contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a la corriente de gas que pasa axialmente a través del mismo; y donde la pluralidad de módulos incluye: un primer módulo que contiene un lecho de catalizador de oxidación, un segundo módulo posicionado adyacente al primer módulo que contiene un primer intercambiador para enfriar la corriente de gas, un tercer módulo posicionado adyacente al segundo módulo que contiene un agente de desulfurización, finalmente un cuarto módulo posicionado adyacente al tercer módulo que contiene un material inerte para mezclar componentes de la corriente de gas que pasan a través del mismo, un quinto módulo posicionado adyacente al cuarto módulo o al tercer módulo si no se incluye cuarto módulo que contiene un lecho de catalizador de desplazamiento agua gas, medios para añadir agua antes del quinto módulo si no se incluye un cuarto módulo, un sexto módulo posicionado adyacente al quinto módulo que contiene un segundo intercambiador de calor para enfriar la corriente de gas, y un séptimo módulo posicionado adyacente al sexto módulo que contiene un lecho de catalizador para oxidación de monóxido de carbono.

Description

Procesador compacto de combustible para producir un gas rico en hidrógeno.
Antecedentes de la invención
Las células de combustible proporcionan electricidad a partir de reacciones químicas de oxidación-reducción y poseen ventajas significativas sobre otras formas de generación de potencia en términos de limpieza y eficiencia. Típicamente, las celdas de combustible emplean hidrógeno como combustible y oxígeno como agente oxidante. La generación de potencia es proporcional a la rata de consumo de los reactivos.
Una desventaja significativa que inhibe el uso más amplio de las células de combustible es la carencia de una infraestructura de distribución de hidrógeno. El hidrógeno tiene una densidad de energía volumétrica relativamente baja y es más difícil de almacenar y transportar que los combustibles de hidrocarburos utilizados corrientemente en la mayoría de los sistemas de generación de potencia. Una manera de superar esta dificultad es el uso de reformadores para convertir los hidrocarburos en una corriente de gas rica en hidrógeno que pueda ser utilizada como alimentación para las celdas de combustible.
Los combustibles basados en hidrocarburos, tales como el gas natural, LPG, gasolina y diesel, requieren procesos de conversión para ser utilizados como fuentes de combustible para la mayoría de las celdas de combustible. La técnica actual utiliza procesos de pasos múltiples que combinan un proceso de conversión inicial con varios procesos de limpieza. El proceso inicial es lo más frecuentemente la reforma por vapor (SR), la reforma autotérmica (ATR), la oxidación parcial catalítica (CPOX), o la oxidación parcial no catalítica (POX). Los procesos de limpieza están compuestos generalmente de una combinación de desulfurización, desplazamiento agua-gas a alta temperatura, desplazamiento agua-gas a baja temperatura, oxidación selectiva de CO, o metanación selectiva de CO. Procesos alternativos incluyen reactores y filtros con membranas selectivas para hidrógeno.
La EP-A-0861802 divulga un aparato para reforma de combustible que comprende un cierto número de porciones constituidas por elementos de placa planos, estando los elementos integralmente apilados en proximidad cercana uno a otro a partir de un lado a alta temperatura hasta un lado en baja temperatura, en el siguiente orden: porción de combustión catalítica, porción de reforma, porción de sobrecalentamiento de vapor, porción de recuperación de calor, porción de desplazamiento, porción de evaporación, porción de oxidación de CO y porción de calentamiento de alimentación líquida.
La WO 97/14497 divulga un ensamblaje para un proceso químico que tiene una arquitectura de láminas, donde la producción a macroescala se logra con una pluralidad de elementos en microescala que operan en paralelo. El dispositivo puede ser utilizado en sistemas de transferencia de calor, sistemas de potencia y sistemas de procesos químicos.
La WO 00/66487 divulga un sistema de reforma de hidrocarburos para utilizar con una celda de combustible asociada, que incluye un primer reactor para generar un reformado rico en hidrógeno mediante oxidación parcial o reformado por vapor. Un segundo reactor en comunicación con el primero para promover el desplazamiento de agua-gas; y al menos un intercambiador de calor para suministrar vapor al primer reactor.
A pesar del trabajo anterior, persiste una necesidad por una unidad sencilla para convertir un combustible de hidrocarburos en una corriente gaseosa rica en hidrógeno para su utilización junto con una celda de combustible.
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Resumen de la invención
La presente invención está dirigida en general a un aparato y método para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno. El aparato para convertir el combustible de hidrocarburo en gas rico en hidrógeno incluye una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común como se reivindica en la reivindicación 1. Cada módulo incluye una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo. El aparato incluye adicionalmente un núcleo de procesamiento que está contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a una corriente de gas que pasa a través del núcleo de procesamiento. Es un aspecto preferido de la presente invención que los módulos tengan forma cilíndrica. En una realización ilustrativa y preferida, cada módulo incluye un labio anular bien en el primer extremo o en el segundo extremo de la carcasa y una porción anular retrotraída en el extremo opuesto de la carcasa. Esto está diseñado de tal manera que el labio anular de un módulo pueda recibirse en la porción retrotraída anular del módulo adyacente.
Dependiendo de la reacción que toma lugar dentro del módulo, cada módulo puede incluir una capa anular de material térmicamente aislante dispuesta entre la carcasa y el núcleo de procesamiento respectivo. De una forma similar, un módulo puede incluir un miembro de soporte poroso, tal como un filtro, malla, placa perforada, o placas sinterizada porosa. Tal miembro de soporte poroso puede ser incluido como un soporte y contener el contenido del módulo, particularmente materiales catalíticos granulares.
Como se anotó más arriba y se describe aquí, el aparato de la presente invención se utiliza para llevar a cabo una serie de reacciones que convierten combustibles de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno. El primer módulo tiene núcleo de procesamiento que incluye un catalizador de oxidación parcial y opcionalmente un catalizador de reforma por vapor. Un segundo módulo posicionado adyacente al primer módulo está diseñado de manera tal que el núcleo de procesamiento del segundo módulo incluye un primer intercambiador de calor. Tal intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor tipo aleta, un intercambiador de calor de tubo, una tubería de calor o medios similares que sean capaces de intercambiar calor.
Dentro de la pluralidad de módulos, se posiciona un tercer módulo adyacente al segundo módulo, incluyendo el núcleo de procesamiento del tercer módulo un agente desulfurizador. Una amplia variedad de agentes desulfurizadores pueden utilizarse pero preferiblemente el agente desulfurizador incluye óxido de zinc. Un quinto módulo adyacente a y en comunicación fluida con el tercer módulo incluye un núcleo de procesamiento que contiene un catalizador para desplazamiento agua-gas. Una persona experimentada en la técnica entenderá y apreciará que el catalizador de desplazamiento agua-gas puede ser un catalizador de desplazamiento agua-gas a baja temperatura que incluye un material catalizador seleccionado de cobre, óxido de cobre, zinc, platino, renio, paladio, rodio y oro y combinaciones y mezclas de estos y materiales similares. Alternativamente, el catalizador de desplazamiento agua-gas es un catalizador de desplazamiento agua-gas a alta temperatura que incluye un material catalizador seleccionado de óxido férrico, óxido crómico, cobre, siliciuro de hierro, platino, paladio y otros miembros del grupo del paladio, y combinaciones y mezclas de estos y materiales similares.
El aparato se diseña adicionalmente para incluir dentro de la pluralidad de módulos un sexto módulo posicionado adyacente a y en comunicación fluida con el quinto módulo. El núcleo de procesamiento del sexto módulo incluye un segundo intercambiador de calor. Tal intercambiador de calor puede incluir un intercambiador de calor de tipo aleta, intercambiador de calor de tubo, tubería de calor, o medios similares que sean capaces de intercambiar
calor.
La pluralidad de módulos incluye un séptimo módulo posicionado adyacente al sexto módulo con el cual está en comunicación fluida. El núcleo de procesamiento del séptimo módulo incluye un catalizador de oxidación de monóxido de carbono que preferiblemente incluye un material seleccionado de platino, paladio, hierro, cromo, manganeso, óxido de hierro, óxido de cromo, óxido de manganeso, rutenio, oro, cerio, lantano y combinaciones y mezclas de estos y compuestos similares.
La presente invención también incluye un proceso para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 25. Tal proceso incluye proveer un procesador de combustible que tenga una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, y alimentando el combustible de hidrocarburos sucesivamente a través de cada uno de los módulos anteriormente descritos en una dirección axial a través de un reactor tubular para producir el gas rico en hidrógeno.
Breve descripción de los dibujos
La descripción se presenta con referencia a los dibujos acompañantes en los cuales:
La Figura 1 representa un diagrama de flujo de proceso simple para una realización ilustrativa de la presente invención.
La Figura 2 ilustra una realización ilustrativa del aparato procesador de combustible compacto de la presente invención; y
La Figura 3 es una vista en perspectiva transversal parcialmente cortada de un módulo empleado en el aparato procesador de combustible compacto.
Descripción de la realización ilustrativa
La presente invención está dirigida en general a un aparato para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno. En un aspecto preferido, el aparato y método descritos aquí se relaciona con un procesador compacto para producir una corriente de gas rica en hidrógeno a partir de un combustible de hidrocarburos para su uso en celdas de combustible. Sin embargo, se contemplan otros usos posibles para el aparato y método descritos aquí, incluyendo cualquier uso donde se desea una corriente rica en hidrógeno. De acuerdo con lo anterior, mientras que la invención se describe aquí usada en conjunto con una celda de combustible, el alcance de la invención no está limitado a tal uso.
Cada una de las realizaciones ilustrativas de la presente invención describen un procesador de combustible o un proceso para utilizar tal procesador de combustibles con la alimentación de combustible de hidrocarburos que está siendo dirigida a través del procesador de combustible. El combustible de hidrocarburo puede ser líquido o gaseoso a condiciones ambientales así como puede ser vaporizado. Tal como se usa aquí el término "hidrocarburos" incluye compuestos orgánicos que tienen enlace C-H que son capaces de producir hidrógeno a partir de una oxidación parcial o reacción de reforma por vapor. La presencia de átomos diferentes al carbono e hidrógeno y la estructura molecular del compuesto no está excluida. Así, combustibles adecuados para su uso en el método y aparato descritos aquí incluyen, pero no se limitan a combustibles de hidrocarburos tales como gas natural, metano, etano, propano, butano, nafta, gasolina y combustible diesel, y alcoholes tales como metanol, etanol, propanol y similares.
La alimentación del procesador de combustible incluye combustibles de hidrocarburo, oxígeno y agua. El oxígeno puede estar en la forma de aire, aire enriquecido u oxígeno sustancialmente puro. El agua puede ser introducida como líquido o vapor. Los porcentajes de composición de los componentes de la alimentación se determinan mediante las condiciones de operación deseadas, como se discute más abajo.
La corriente efluente del procesador de combustible de la presente invención incluye hidrógeno y dióxido de carbono y también puede incluir algo de agua, hidrocarburos no convertidos, monóxido de carbono, impurezas (por ejemplo sulfuro de hidrógeno y amoniaco) y componentes inertes (por ejemplo, nitrógeno y argón, especialmente si el aire era un componente de la corriente de alimentación).
La Figura 1 representa un diagrama de flujo de un proceso general que ilustra las etapas de proceso incluidas en las realizaciones ilustrativas de la presente invención. Una persona experimentada en la técnica podría notar que una cierta cantidad de orden progresivo es necesario en el flujo de los reactivos a través de los reactores aquí descritos.
La etapa de proceso A es un proceso de reforma autotérmico en el cual dos reacciones, la oxidación parcial (fórmula I, más abajo) y opcionalmente también la reforma por vapor (fórmula II, más abajo) se combinan para convertir la corriente de alimentación F en un gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. Las fórmulas I y II son fórmulas de reacción a título de ejemplo donde el metano está considerado como el hidrocarburo:
1
La reacción de oxidación parcial ocurre muy rápidamente hasta la conversión completa del oxígeno añadido y produce calor. La reacción de reforma por vapor ocurre más lentamente y consume calor. Una concentración más alta de oxígeno en la corriente de alimentación favorece la oxidación parcial mientras que una concentración más alta de vapor de agua favorece la reforma por vapor. Por lo tanto, las proporciones de oxígeno a hidrocarburos y agua a hidrocarburos se convierten en parámetros caracterizantes. Estas proporciones afectan la temperatura de operación y el rendimiento en hidrógeno. La temperatura de operación de la etapa de reforma autotérmica puede variar desde aproximadamente 550ºC hasta aproximadamente 900ºC, dependiendo de las condiciones de alimentación y del catalizador. La invención utiliza un lecho catalizador de un catalizador de oxidación parcial con o sin un catalizador de reforma por vapor. El catalizador puede estar en cualquier forma incluyendo pellas, esferas, extrudidos, monolitos, y similares. Los catalizadores de oxidación parcial deberían ser bien conocidos para los expertos en la técnica y comprenden frecuentemente metales nobles tales como platino, paladio, rodio y/o rutenio sobre una capa lavada de alúmina sobre un monolito, extrudido, pella u otro soporte. Metales no nobles tales como el níquel o el cobalto también han sido usados. Otros recubrimientos de lavado tales como titania, zirconia, sílica y magnesia han sido citados en la literatura. Muchos materiales adicionales tales como lantano, cerio y potasio han sido citados en la literatura como "promotores" que mejoran el rendimiento del catalizador de oxidación parcial.
Los catalizadores de reforma por vapor deberían ser conocidos para los expertos en la técnica y pueden incluir níquel con cantidades de cobalto o de un metal noble como platino; paladio, rodio, rutenio y/o iridio. El catalizador puede estar soportado, por ejemplo, sobre magnesia, alúmina, sílica, zirconia o aluminato de magnesio, individualmente o en combinación. Alternativamente, el catalizador para reforma por vapor puede incluir níquel, preferiblemente soportado sobre magnesia, alúmina, sílica, zirconia o aluminato de magnesio, individualmente o en combinación, promovido por un metal alcalino tal como potasio.
La etapa B del proceso es una etapa de enfriamiento para enfriar la corriente de gas de síntesis de la etapa de proceso A hasta una temperatura que va desde aproximadamente 200ºC hasta aproximadamente 600ºC, de preferencia desde aproximadamente 300ºC hasta aproximadamente 500ºC y más de preferencia desde aproximadamente 375ºC hasta aproximadamente 425ºC, para optimizar la temperatura del gas de síntesis efluente para la siguiente etapa. Este enfriamiento puede ser alcanzado con drenadores de calor, tuberías de calor o intercambiadores de calor dependiendo de las especificaciones de diseño y de las necesidades de recuperar/reciclar el contenido de calor de la corriente de gas. Una realización ilustrativa para la Etapa B es el uso de un intercambiador de calor utilizando la corriente de alimentación F como enfriante que circula a través del intercambiador de calor. El intercambiador de calor puede ser de cualquier construcción adecuada conocida para los expertos en la técnica incluyendo carcasa y tubo, placa, espiral, etc. Alternativamente, o además de ello, la etapa de enfriamiento B puede ser alcanzada inyectando componentes de alimentación adicionales tales como combustible, aire o agua. Se prefiere agua por su capacidad para absorber una gran cantidad de calor a medida que es vaporizada y convertida en vapor. Las cantidades de componentes adicionados dependen del grado de enfriamiento deseado y se determina fácilmente por aquellos experimentados en la técnica.
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La etapa de proceso C es una etapa de purificación. Una de las impurezas principales de la corriente de hidrocarburos es el azufre, el cual se convierte mediante la etapa de reforma autotérmica A en sulfuro de hidrógeno. El núcleo de procesamiento utilizado en la etapa de proceso C incluye preferiblemente óxido de zinc y/o otros materiales capaces de absorber y convertir el sulfuro de hidrógeno, y pueden incluir un soporte (por ejemplo, monolito, extrudido, pella, etc.). La desulfurización se alcanza convirtiendo el sulfuro de hidrógeno en agua de acuerdo con la siguiente fórmula de reacción III:
2
También pueden retirarse otras impurezas tales como cloruros. La reacción se lleva a cabo preferiblemente a una temperatura que va desde aproximadamente 300ºC hasta aproximadamente 500ºC, y con mayor preferencia desde aproximadamente 375ºC hasta aproximadamente 425ºC. El óxido de zinc es un absorbente efectivo de sulfuro de hidrógeno en un amplio rango de temperaturas que van desde aproximadamente 25ºC hasta aproximadamente 700ºC y tiene en general gran flexibilidad para optimizar la secuencia de etapas de procesamiento mediante una selección apropiada de la temperatura de operación.
La corriente del efluente puede ser enviada entonces a una etapa de mezcla D en la cual se añade opcionalmente agua a la corriente de gas. La adición de agua disminuye la temperatura de la corriente de reactivos a medida que se vaporiza y suministra más agua para la reacción de desplazamiento agua gas de la etapa de proceso E (discutida más abajo). El vapor de agua y otros componentes de la corriente efluente se mezclan pasando a través de un núcleo de procesamiento de materiales inertes tales como cuentas de cerámica u otros materiales similares que mezclan y/o ayudan efectivamente en la vaporización del agua. Alternativamente, puede introducirse agua adicional con la alimentación, y la etapa de mezclado puede ser reposicionada para proveer un mezclado mejor del gas oxidante en la etapa G de oxidación del CO divulgada más abajo.
La etapa de proceso E es una reacción de desplazamiento agua gas que convierte el monóxido de carbono en dióxido de carbono de acuerdo con la fórmula IV:
3
Esta es una etapa importante porque el monóxido de carbono, además de ser altamente tóxico para los humanos, es un veneno para las celdas de combustible. La concentración de monóxido de carbono debería ser disminuida preferiblemente hasta un nivel que pueda ser tolerado por las celdas de combustible, típicamente por debajo de 50 ppm. En general, la reacción de desplazamiento agua gas puede tomar lugar a temperaturas que van desde 150ºC hasta 600ºC dependiendo del catalizador utilizado. Bajo tales condiciones, la mayor parte del monóxido de carbono en la corriente de gas es convertida en esta etapa.
Los catalizadores de desplazamiento a baja temperatura operan en un rango que va desde aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 300ºC y pueden incluir por ejemplo, óxido de cobre, o cobre soportado sobre otros óxidos de metales de transición tales como zirconia, zinc soportado sobre óxidos de metales de transición o soportes refractarios tales como sílica, alúmina, zirconia, etc., o un metal noble tal como platino, renio, paladio, rodio u oro sobre un soporte adecuado tal como sílica, alúmina, zirconia y similares.
Los catalizadores de desplazamiento a alta temperatura son operados preferiblemente a temperaturas que varían desde aproximadamente 300ºC hasta aproximadamente 600ºC y pueden incluir óxidos de metales de transición tales como óxido férrico u óxido crómico, y opcionalmente incluir un promotor tal como cobre o siliciuro de hierro. También se incluyen, como catalizadores de desplazamiento a alta temperatura los metales nobles soportados tales como platino, paladio y/o otros miembros del grupo de platino soportados.
El núcleo de procesamiento utilizado para llevar a cabo esta etapa puede incluir un lecho empacado de un catalizador de desplazamiento a alta temperatura o a baja temperatura tal como los descritos anteriormente, o una combinación de catalizadores de desplazamiento a alta temperatura y baja temperatura. El proceso debería ser operado a cualquier temperatura adecuada para la reacción de desplazamiento agua gas, preferiblemente a una temperatura que va desde 150ºC hasta aproximadamente 400ºC dependiendo del tipo de catalizador utilizado. Opcionalmente, puede disponerse de un elemento de enfriamiento tal como una tubería de enfriamiento en el núcleo de procesamiento del reactor de desplazamiento para disminuir la temperatura de reacción dentro del lecho empacado de catalizador. Las temperaturas más bajas favorecen la conversión de monóxido de carbono a dióxido de carbono. También puede llevarse a cabo una etapa de procesamiento C de purificación entre las conversiones de desplazamiento alta y baja proporcionando etapas separadas para desplazamiento a alta temperatura y baja temperatura con un módulo de desulfurización entre las etapas de desplazamiento a alta y baja temperatura.
La etapa de proceso F es una etapa de enfriamiento llevada a cabo en una realización mediante un intercambiador de calor. El intercambiador de calor puede ser cualquier construcción adecuada que incluye carcasa y tubo, placa, espiral, etc. Alternativamente puede utilizarse una tubería de calor u otra forma de drenaje de calor. La meta del intercambiador de calor es reducir la temperatura de la corriente de gas para producir un efluente que tiene una temperatura que está preferiblemente en el rango de aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC.
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Se añade oxígeno al proceso en la etapa F. El oxígeno es consumido por las reacciones de la etapa de proceso G descrita más abajo. El oxígeno puede estar en la forma de aire, aire enriquecido, u oxígeno sustancialmente puro. El intercambiador de calor puede por diseño proveer la mezcla del aire con el gas rico en hidrógeno. Alternativamente, la realización de la etapa de proceso D puede ser utilizada para llevar a cabo la muestra.
La etapa de proceso G es una etapa de oxidación donde casi todo el monóxido de carbono remanente en la corriente efluente es convertido en dióxido de carbono. El procesamiento se lleva a cabo en la presencia de un catalizador para la oxidación de monóxido de carbono y puede ser en cualquier forma adecuada, tal como pellas, esferas, monolitos, etc. Los catalizadores de oxidación para monóxido de carbono son conocidos e incluyen típicamente metales nobles (por ejemplo, platino, paladio) y/o metales de transición (por ejemplo, hierro, cromo, manganeso), y/o compuestos de metales nobles o de transición, particularmente óxidos. Un catalizador de oxidación preferido es platino sobre un recubrimiento de lavado de alúmina. El recubrimiento de lavado puede ser aplicado a un monolito, extrudido, pella u otro soporte. Materiales adicionales tales como cerio y lantano pueden ser añadidos para mejorar el rendimiento. Muchas otras formulaciones han sido citadas en la literatura reclamando algunos expertos un rendimiento superior para canalizadores de rodio o alúmina. El rutenio, paladio, oro y otros materiales han sido citados en la literatura como activos para este uso.
Ocurren dos reacciones en la etapa de proceso G: la oxidación deseada del monóxido de carbono (fórmula V) y la oxidación no deseada del hidrógeno (fórmula VI) como sigue:
4
La oxidación preferencial del monóxido de carbono es favorecida por las bajas temperaturas. Puesto que ambas reacciones producen calor puede ser ventajoso incluir opcionalmente un elemento de enriamiento tal como una tubería de enfriamiento dispuesta dentro del proceso. La temperatura de operación del proceso se mantiene preferiblemente en el rango que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC. La etapa G de proceso reduce preferiblemente el nivel de monóxido de carbono a menos de 50 ppm. El cual es un nivel adecuado para su uso en celdas de combustible, pero una persona experimentada en la técnica apreciaría que la presente invención puede ser adaptada para producir un producto rico en hidrógeno con niveles más altos o más bajos de monóxido de carbono.
El efluente que sale del procesador de combustible es un gas rico en hidrógeno que contienen dióxido de carbono y otros constituyentes que pueden estar presentes tales como agua, componentes inertes, (por ejemplo, nitrógeno, argón), hidrocarburos residuales, etc. El gas de producto puede ser utilizado como alimentación para una celda de combustible o para otras aplicaciones donde se desea una corriente de alimentación rica en hidrógeno. Opcionalmente, los gases de producto pueden ser enviados a un procesamiento posterior, por ejemplo para eliminar el dióxido de carbono, agua u otros componentes.
En una realización ilustrativa de la presente invención, el procesador de combustible es de construcción modular con unidades modulares individuales, que son separables, redisponibles, e individualmente reemplazables. Con referencia a la Figura 2, el procesador de combustible 100 de la presente invención incluye una serie de módulos individuales (110, 120, 130, 140, 150, 160 y 170). Las unidades modulares pueden ser utilizadas en cualquier orientación, esto es, orientación vertical u horizontal, y se adaptan para ser utilizadas en conjunto con una celda de combustible de tal forma que el gas producido rico en hidrógeno del reactor aquí descrito se suministra directamente a una celda de combustible en forma de una corriente de alimentación. Mientras que los módulos pueden tener cualquier configuración transversal, tal como circular, rectangular, triangular, etc., se prefiere una sección transversal circular siendo el procesador de combustible 100 de una forma en general tubular. Los módulos son construidos de acuerdo con la descripción dada más abajo en relación con la Figura 3, a menos que se indique otra cosa. Los módulos pueden ser fabricados de cualquier material capaz de soportar las condiciones de operación y el ambiente químico de las reacciones aquí descritas y pueden incluir, por ejemplo, acero inoxidable, Inconel, Incoloy, Hastelloy, y similares. La presión de reacción va preferiblemente desde aproximadamente 0 hasta aproximadamente 100 psig, aunque pueden emplearse presiones más altas. La presión de operación del procesador de combustible depende de la presión de liberación requerida por la celda de combustible. Para celdas de combustible que operan en el rango de 1 a 20 kW es generalmente suficiente una presión de operación de 0 hasta aproximadamente 100 psig. Los módulos son de dimensiones tales que pueden contener con seguridad la reacción a las diferentes presiones y temperaturas de operación deseadas.
El procesador de combustible 100 tal como se muestra en la Figura 2 efectúa el proceso diagramáticamente ilustrado en la Figura 1. La corriente de alimentación F es introducida a través de la tubería de entrada 102 y el gas producido P es extraído a través de la tubería de salida 103. El aparato 100 incluye varios módulos que pueden ser apilados para formar un dispositivo modular que puede ser modificado mediante el reemplazo de módulos individuales. Cada módulo lleva a cabo una función operacional separada y está en general configurado como se muestra en la Figura 2. El módulo 110 es el módulo de reforma autotérmica que corresponde a la etapa A del proceso de la Figura 1. El módulo 120 es una etapa de enfriamiento correspondiente a la etapa B del proceso de la Figura 1. En esta realización ilustrativa, se muestra el intercambiador de calor 121 como un drenaje de calor general para el módulo 120. El módulo 130 es un módulo de purificación que corresponde a la etapa C del proceso de la Figura 1.
El módulo 140 es una etapa de mezcla opcional correspondiente a la etapa de proceso D de la Figura 1. La boquilla de alimentación 131 proporciona una corriente de agua opcional alimentada al módulo 140 para ayudar a conducir la reacción de desplazamiento agua gas (Ecuación IV) del módulo 150. El módulo 150 es un módulo de desplazamiento agua gas correspondiente a la etapa de proceso E de la Figura 1. La boquilla de alimentación 151 proporciona una fuente de oxígeno para el gas de proceso para la reacción de oxidación (Ecuación V) del módulo 170. El módulo 150 también contiene un intercambiador de calor (no mostrado) posicionado dentro o alrededor del lecho de catalizador de manera que mantenga una temperatura de reacción de desplazamiento agua gas deseada. El módulo 160 es una etapa de enfriamiento correspondiente a la etapa de proceso F de la Figura 1. En esta realización ilustrativa, el intercambiador de calor 161 se muestra como un drenaje de calor en general para el módulo 160. El módulo 170 es una etapa de oxidación que corresponde a una etapa de proceso G de la Figura 1. El módulo 170 también contiene un intercambiador de calor (no mostrado) posicionado dentro de o alrededor del lecho de catalizador de manera que mantenga una temperatura de reacción de oxidación deseada. Una persona experimentada en la técnica apreciará que la configuración de proceso descrita en esta realización puede variar dependiendo de factores numerosos, incluyendo pero no limitándose a la calidad de la materia prima y a la calidad del producto requerida.
La Figura 3 ilustra un módulo individual 10 que incluye una carcasa 11, una placa de soporte opcional 12, una empaquetadura anular 13, un material aislante opcional 14 y un núcleo de procesamiento 15. La carcasa 11 puede tener cualquier forma de sección transversal tal como circular, cuadrada, triangular, etc. Sin embargo se prefiere que la carcasa 11 tenga un miembro con formación cilíndrica que tiene un centro vacío axial. La carcasa 11 se fabrica preferiblemente de un material tal como acero inoxidable, Inconel, Incoloy o Hastelloy por las razones establecidas más arriba. La carcasa 11 incluye una sección superior retrotraída anular 11a y un labio inferior anular 11b que sirven como medios de encaje para facilitar el apilamiento de dos o más módulos. La sección retrotraída superior 11a está adaptada para recibir la empaquetadura 13 y el labio inferior 11b.
La placa de soporte opcional 12 es fabricada preferiblemente, por ejemplo, con un filtro, malla, placa perforada, placa metálica sinterizada porosa, y similares. Puede fabricarse a partir de aleaciones metálicas tales como acero inoxidable, Inconel, Incoloy o Hastelloy, o de un material cerámico adecuado. La placa de soporte 12 no solamente provee soporte para los componentes contenidos dentro del módulo 10, sino que también sirve como un distribuidor de gas para distribuir el flujo de gas a través del reactor de manera homogénea a través de toda la sección transversal del reactor. La distribución homogénea del gas facilita un rendimiento óptimo del reactor.
La empaquetadura 12 es una pieza en forma de anillo para ayudar a sellar la unión entre los módulos y para prevenir los escapes de gas. Puede ser fabricada a partir de materiales tales como grafito, cerámica, cobre u otros materiales capaces de soportar las condiciones operativas del reactor. El aislador interno opcional 14 está dispuesto dentro del espacio axial de la carcasa cilíndrica 11 y comprende una pieza cilíndrica con un espacio axial. El aislador 14 minimiza la pérdida de calor hacia el ambiente que podría reducir la eficiencia al sistema. Acorta el tiempo de arranque y reduce la transferencia de calor a la carcasa 11 y al ambiente. El aislador interno 14 puede ser fabricado de cualquier material adecuado para los propósitos aquí descritos. Los materiales preferidos incluyen un recubrimiento cerámico fibroso intumescente interam; un recubrimiento fibroso de alúmina saffil, un recubrimiento de alambre de acero entretejido, flexible (tal como Wire Wrap); y otros recubrimientos cerámicos flexibles hechos a partir de fibras de alúmina o sílica y tales materiales similares.
El núcleo de procesamiento 15 está contenido dentro del espacio axial de la carcasa 11, y, si el aislador interno 14 está presente, también dentro del espacio del aislador interno. El núcleo de procesamiento 15 cumple la función del módulo y puede ser un material catalizador, adsorbente, absorbente, intercambiador de calor o inerte.
Una tal persona experimentada en la técnica también apreciaría que la presente invención abarca también las siguientes realizaciones ilustrativas. Una tal realización ilustrativa incluye un aparato para convertir el combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno, comprendiendo una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, donde cada módulo incluye una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo, y un núcleo de procesamiento contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a una corriente de gas que pasa axialmente a través del mismo de acuerdo con la reivindicación 1. Tal aparato puede incluir una carcasa externa dentro de la cual se dispone la pluralidad de módulos. Mientras que este aparato está previsto para abarcar numerosas formas y orientaciones, un aspecto preferido del presente aparato es que la carcasa externa opcional y los módulos sean cilíndricos en su forma. Existen numerosos medios para conectar los módulos entre sí para formar al aparato de la presente invención. Sin embargo, un aspecto preferido de la presente invención es que cada módulo incluya un labio anular bien en el primer extremo o en el segundo extremo de la carcasa y una porción retrotraída anular en el extremo opuesto de la carcasa, mediante lo cual el anillo anular de un módulo puede encajar en la porción retrotraída anular del módulo adyacente. Un aspecto preferido de la presente invención es que uno o más de los módulos incluyan una capa anular de un material aislante térmicamente dispuesto entre la carcasa y el núcleo de procesamiento respectivo. Al menos un módulo incluye un miembro de soporte poroso montado en proximidad a un extremo de la carcasa, donde el medio de soporte poroso es seleccionado del grupo consistente de un filtro, malla, placa perforada y placa sinterizada porosa.
Otra realización ilustrativa de la presente invención es un aparato para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno, que comprende una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, donde cada módulo incluye una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo, y un núcleo de procesamiento que está contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a una corriente de gas que pasa axialmente a través del mismo de acuerdo con la reivindicación 1. El primer módulo contiene un núcleo de procesamiento que incluye un catalizador de oxidación parcial. El catalizador de oxidación parcial puede incluir un metal tal como platino, paladio, rodio, rutenio níquel, cobalto o cualquier combinación de los mismos. Opcionalmente, el primer módulo también puede contener un catalizador de reforma por vapor. El catalizador de reforma por vapor puede incluir un metal tal como platino, paladio, rodio, rutenio, iridio, níquel, potasio o cualquier combinación de los mismos. El catalizador de oxidación parcial puede estar soportado sobre un material tal como magnesia, alúmina, titania, zirconia o sílica. El catalizador de reforma por vapor puede estar soportado sobre un material tal como magnesia, alúmina, sílica, zirconia o aluminato de magnesio. El segundo módulo, que está posicionado adyacente al primer módulo, contiene un intercambiador de calor dentro del núcleo de procesamiento para enfriar la corriente de gas producida desde el primer módulo. El tercer módulo que está posicionado adyacente al segundo módulo, contiene un agente de desulfurización, tal como óxido de zinc dentro del núcleo de procesamiento. Opcionalmente, puede incluirse un cuarto módulo, posicionado adyacente al tercer módulo, y contendría un material inerte tal como cuentas de cerámica para agua de mezcla y componentes de la corriente de procesamiento de gas. Si no se incluye un cuarto módulo en el aparato, debería añadirse agua antes del quinto módulo. El quinto módulo, que está posicionado adyacente al cuarto módulo o al tercer módulo si no se incluye un cuarto módulo, contiene un catalizador de desplazamiento agua gas dentro del núcleo de procesamiento. Se intenta con la presente invención que pueda utilizarse un catalizador de desplazamiento agua gas de baja temperatura, un catalizador de desplazamiento agua gas de alta temperatura, o una combinación de los dos, en el quinto módulo. Los catalizadores de desplazamiento agua gas de baja temperatura posibles incluyen cobre, óxido de cobre, zinc, platino, renio, paladio, rodio y oro. Catalizadores de desplazamiento agua gas de alta temperatura posibles incluyen un material seleccionado del grupo consistente de óxido férrico, óxido crómico, cobre, siliciuro de hierro, platino y paladio. El quinto módulo también incluye preferiblemente un intercambiador de calor posicionado dentro del lecho de catalizador de desplazamiento agua gas para mantener un rango de temperatura de reacción de desplazamiento deseado. El sexto módulo, que está posicionado adyacente al quinto módulo, contiene un intercambiador de calor dentro del núcleo de procesamiento para enfriar la corriente de gas producida por el quinto módulo. El séptimo módulo, que está posicionado adyacente al sexto módulo, contiene un catalizador de oxidación de monóxido de carbono en el núcleo de procesamiento. Tal catalizador para oxidación de monóxido de carbono puede ser platino, paladio, hierro, cromo, manganeso, óxido de hierro, óxido de cromo, óxido de manganeso, rutenio, paladio, oro o cualquier combinación de los mismos. El séptimo módulo también incluye un intercambiador de calor posicionado dentro del lecho de catalizador de desplazamiento agua gas para mantener un rango de temperatura de reacción de oxidación deseado.
Aún otra realización ilustrativa para la presente invención es un proceso para convertir combustibles de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno utilizando un procesador de combustible que tiene una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, y alimentando el combustible de hidrocarburos sucesivamente a través de cada uno de los módulos en una dirección axial para producir el gas rico en hidrógeno de acuerdo con la reivindicación 25. Un primer módulo, que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa anterior para una oxidación parcial y reforma por vapor del combustible de hidrocarburos, opera a una temperatura que varía desde aproximadamente 550ºC hasta aproximadamente 900ºC. Un segundo módulo que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa previa, enfría entonces el efluente del primer módulo a una temperatura que va desde aproximadamente 200ºC hasta aproximadamente 600ºC. El tercer módulo, que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa previa, desulfuriza el efluente del segundo módulo utilizando óxido de zinc como agente desulfurizante. El cuarto módulo opcional, que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa previa, mezcla agua con el efluente del tercer módulo para producir una alimentación para el quinto módulo. El quinto módulo, que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa previa, hace reaccionar el agua y el monóxido de carbono contenidos en la corriente de proceso en una reacción de desplazamiento agua gas para reducir la concentración de monóxido de carbono que sale del quinto módulo. Un aspecto preferido de la presente invención es que el quinto módulo opera a una temperatura que varía desde aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 400ºC. El sexto módulo, que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa previa, enfría el efluente del quinto módulo a una temperatura que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC. El séptimo módulo, que puede ser diseñado de acuerdo con la realización ilustrativa previa, oxida al menos una parte del monóxido de carbono en la corriente de gas de proceso para producir el gas rico en hidrógeno. Un aspecto preferido de la presente invención es que el séptimo módulo opera a una temperatura que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC. Un aspecto adicional de la presente invención es el potencial para la integración de calor. En términos de la presente realización, el intercambio de calor en el segundo módulo, quinto módulo, sexto módulo y séptimo módulo puede ser utilizado para precalentar la alimentación de hidrocarburos al aparato. Se pretende que la presente invención sea capaz de reducir la concentración de monóxido de carbono en el gas rico en hidrógeno a menos de 50 ppm.

Claims (32)

1. Un aparato para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno, que comprende una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común, donde cada módulo de la pluralidad de módulos incluye:
una carcasa que tiene un espacio interior que define un paso para el flujo de una corriente de gas desde un primer extremo de la carcasa hasta un segundo extremo de la carcasa opuesto al primer extremo, y
un núcleo de procesamiento que está contenido dentro del espacio interior para efectuar un cambio químico, térmico o físico a la corriente de gas que pasa axialmente a través del mismo; y
donde la pluralidad de módulos incluye:
un primer módulo que contiene un lecho de catalizador de oxidación,
un segundo módulo posicionado adyacente al primer módulo que contiene un primer intercambiador para enfriar la corriente de gas,
un tercer módulo posicionado adyacente al segundo módulo que contiene un agente de desulfurización,
finalmente un cuarto módulo posicionado adyacente al tercer módulo que contiene un material inerte para mezclar componentes de la corriente de gas que pasan a través del mismo,
un quinto módulo posicionado adyacente al cuarto módulo o al tercer módulo si no se incluye cuarto módulo que contiene un lecho de catalizador de desplazamiento agua gas, medios para añadir agua antes del quinto módulo si no se incluye un cuarto módulo,
un sexto módulo posicionado adyacente al quinto módulo que contiene un segundo intercambiador de calor para enfriar la corriente de gas, y
un séptimo módulo posicionado adyacente al sexto módulo que contiene un lecho de catalizador para oxidación de monóxido de carbono.
2. El aparato como se reivindica en la reivindicación 1, donde la pluralidad de módulos son cilíndricas en su forma.
3. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde cada módulo de la pluralidad de módulos incluye un labio anular bien en el primer extremo o en el segundo extremo de la carcasa y una porción retrotraída anular en el extremo opuesto de la carcasa, y donde el labio anular de un módulo encaja dentro de la porción retrotraída anular del módulo adyacente.
4. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde al menos un módulo de la pluralidad de módulos incluye una capa anular de un material aislante térmicamente dispuesta entre la carcasa y el núcleo de procesamiento respectivo.
5. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde al menos un módulo de la pluralidad de módulos incluye un miembro de soporte poroso montado en proximidad al primer extremo de la carcasa.
6. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde al menos un módulo de la pluralidad de módulos incluye un miembro de soporte poroso montado en proximidad al segundo extremo de la carcasa.
7. El aparato como se describe en la reivindicación 6, donde el miembro de soporte poroso es seleccionado del grupo consistente de un filtro, malla, placa perforada y placa sinterizada porosa.
8. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el primer módulo incluye también un catalizador para reforma por vapor.
9. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el catalizador de oxidación parcial incluye un metal seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, rodio, rutenio, níquel, cobalto y cualquier combinación de los mismos.
10. El aparato como se describe en la reivindicación 8, donde el catalizador de reforma por vapor incluye un metal seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, rodio, rutenio, iridio, níquel, potasio y combinaciones de los mismos.
11. El aparato como se describe en la reivindicación 9, donde el metal del catalizador de oxidación parcial está soportados sobre un material seleccionado del grupo consistente de magnesia, alúmina, titania, zirconia y sílica.
12. El aparato como se describe en la reivindicación 10, donde el metal del catalizador para reforma por vapor está soportado sobre un material seleccionado del grupo consistente de magnesia, alúmina, sílica, zirconia y aluminato de magnesio.
13. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el agente de desulfurización incluye óxido de zinc.
14. El aparato como se reivindica en la reivindicación 1, donde el material inerte comprende cuentas de cerámica.
15. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el cuarto módulo está diseñado para introducir agua a la corriente de gas.
16. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el quinto módulo incluye adicionalmente un intercambiador de calor posicionado dentro del lecho de catalizador de desplazamiento agua gas para mantener un rango de temperatura de reacción de desplazamiento deseado.
17. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el catalizador de desplazamiento agua gas es un catalizador de desplazamiento agua gas a baja temperatura.
18. El aparato como se describe en la reivindicación 17, donde el catalizador de desplazamiento agua gas a baja temperatura incluye un material seleccionado del grupo consistente de cobre, óxido de cobre, zinc, platino, renio, paladio, rodio y oro.
19. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el catalizador de desplazamiento agua gas es un catalizador de desplazamiento agua gas a alta temperatura.
20. El aparato como se describe en la reivindicación 19, donde el catalizador de desplazamiento agua gas a alta temperatura incluye un material seleccionado del grupo consistente de óxido férrico, óxido crómico, cobre, siliciuro de hierro, platino y paladio.
21. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el séptimo módulo incluye adicionalmente un intercambiador de calor posicionado dentro del lecho de catalizador para oxidación de monóxido de carbono para mantener un rango de temperatura de reacción de oxidación deseado.
22. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el séptimo módulo está diseñado para introducir una corriente que contiene oxígeno a la corriente de gas antes de entrar en contacto con el lecho de oxidación de monóxido de carbono.
23. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde el lecho de catalizador de oxidación de monóxido de carbono incluye un material seleccionado del grupo consistente de platino, paladio, hierro, cromo, manganeso, óxido de hierro, óxido de cromo, óxido de manganeso, rutenio, paladio, oro y cualquier combinación de los mismos.
24. El aparato como se describe en la reivindicación 1, donde la pluralidad de módulos incluye un cuarto módulo posicionado adyacente al tercer módulo que contiene un material inerte para mezclar componentes de la corriente de gas que pasa a través del mismo.
25. Un proceso para convertir combustible de hidrocarburos en un gas rico en hidrógeno que comprende:
proveer un procesador que tiene una pluralidad de módulos apilados extremo con extremo a lo largo de un eje común; y alimentar el combustible de hidrocarburos sucesivamente a través de cada uno de los módulos en una dirección axial para producir el gas rico en hidrógeno,
donde la pluralidad de módulos incluye:
un primer módulo para la oxidación parcial y reforma por vapor del combustible de hidrocarburos para producir un efluente de primer módulo;
un segundo módulo posicionado adyacente al primer módulo para enfriar el efluente del primer módulo para producir un efluente del segundo módulo;
un tercer módulo posicionado adyacente al segundo módulo, donde el tercer módulo desulfuriza el efluente del segundo módulo para producir un efluente del tercer módulo;
opcionalmente un cuarto módulo posicionado adyacente al tercer módulo, donde el cuarto módulo mezcla agua con el efluente del tercer módulo para producir un efluente del cuarto módulo;
un quinto módulo posicionado adyacente al cuarto módulo, o al tercer módulo si no se incluye cuarto módulo, donde se añade agua antes del quinto módulo si no se incluye un cuarto módulo, donde el quinto módulo hace reaccionar el agua y el monóxido de carbono, contenido en el efluente del cuarto módulo si se incluye el cuarto módulo, para producir un efluente del quinto módulo que tiene una concentración reducida de monóxido de carbono;
un sexto módulo posicionado adyacente al quinto módulo para enfriar el efluente del quinto módulo para producir un efluente del sexto módulo;
un séptimo módulo posicionado adyacente al sexto módulo para oxidar al menos parte del monóxido de carbono para producir el gas rico en hidrógeno.
26. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el combustible de hidrocarburos puede ser precalentado por el segundo módulo, el quinto módulo, el sexto módulo, el séptimo módulo o cualquier combinación de los mismos.
27. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el primer módulo opera a una temperatura que varía desde aproximadamente 550ºC hasta aproximadamente 900ºC.
28. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el efluente del segundo módulo está entre aproximadamente 200ºC hasta aproximadamente 600ºC.
29. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el quinto módulo opera a una temperatura que varía desde aproximadamente 150ºC hasta aproximadamente 400ºC.
30. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el efluente del quinto módulo es enfriado a una temperatura que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC.
31. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el séptimo módulo opera a una temperatura que va desde aproximadamente 90ºC hasta aproximadamente 150ºC.
32. El proceso como se describe en la reivindicación 25, donde el gas rico en hidrógeno contiene menos de 50 ppm de monóxido de carbono.
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