ES3030284T3 - A structured body for heating gas - Google Patents

A structured body for heating gas

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ES3030284T3 ES22740350T ES22740350T ES3030284T3 ES 3030284 T3 ES3030284 T3 ES 3030284T3 ES 22740350 T ES22740350 T ES 22740350T ES 22740350 T ES22740350 T ES 22740350T ES 3030284 T3 ES3030284 T3 ES 3030284T3
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Anders Helbo Hansen
Peter Mølgaard Mortensen
Sebastian Thor Wismann
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Abstract

Se proporciona un cuerpo estructurado para un sistema de calentamiento para llevar a cabo el calentamiento de un gas de alimentación a presión, donde el calor se proporciona mediante calentamiento por resistencia por medio de energía eléctrica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Cuerpo estructurado para gas de calentamiento
Sector de la técnica
Se proporciona un cuerpo estructurado para un sistema de calentamiento para llevar a cabo el calentamiento de un gas de alimentación presurizado, donde el calor se proporciona mediante calentamiento por resistencia.
Estado de la técnica
Típicamente, los intercambiadores de calor de gas están limitados en su temperatura de diseño, ya que también son equipos que soportan presión, lo que típicamente limita la temperatura máxima de funcionamiento de estos. Una configuración clásica de intercambio de calor es el tipo de tubo y carcasa, donde un gas que fluye en el lado del tubo intercambia calor con otro gas en el lado de la carcasa para calentar así el primer gas y enfriar el segundo gas, o viceversa. Es conveniente desarrollar un sistema de calentamiento, específicamente un precalentador de gas, que permita calentar sistemas de gas a temperaturas muy altas. También es conveniente desarrollar un sistema de calentamiento que sea compacto y sencillo de hacer funcionar. Otra ventaja de la tecnología actual es que se pueden reducir considerablemente la emisión global de dióxido de carbono y otras emisiones perjudiciales para el clima, en particular si la potencia utilizada en el sistema de calentamiento procede de fuentes de energía renovables.
El precalentamiento del gas es necesario en muchos aspectos del diseño de procesos químicos. Los ejemplos de precalentadores de gas incluyen el precalentamiento del gas de reducción utilizado para la activación de lechos catalizadores. Otro uso de un precalentador de gas es el ejemplo de un CO<2>precalentador a un convertidor posterior adiabático (APOC). El reactor APOC se describe en el documento WO 2019/110267. En ambos casos, puede ser conveniente tener una temperatura de precalentamiento del gas muy alta para permitir la interacción del funcionamiento de la unidad en una fase posterior.
El documento US 2021/113983 A1 se refiere a un cuerpo estructurado para calentar un gas de alimentación según las características del preámbulo de la reivindicación 1.
Compendio
La presente tecnología proporciona un cuerpo estructurado dispuesto para calentar un gas de alimentación, comprendiendo dicho cuerpo una primera estructura macroscópica y una segunda estructura macroscópica, cada una extendiéndose en dirección longitudinal desde un primer extremo hasta un segundo extremo, donde dicho primer extremo forma una entrada de dicha primera y segunda estructura macroscópica para dicho gas de alimentación y dicho segundo extremo forma una salida para el gas calentado, comprendiendo dicha primera y segunda estructura macroscópica una estructura de red tridimensional, donde la estructura de red forma trayectorias de flujo que permiten que el gas de alimentación fluya desde dicho primer extremo hasta dicho segundo extremo, estando formada la estructura de red por un material metálico eléctricamente conductor, en el que la segunda estructura macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente circunferencialmente alrededor de la primera estructura macroscópica, y en el que la primera y la segunda estructura macroscópica están conectadas eléctricamente en el segundo extremo.
Además, la presente tecnología proporciona un sistema de calentamiento para calentar un gas de alimentación, comprendiendo dicho sistema de calentamiento:
a) un cuerpo estructurado como se describe en la presente memoria;
b) una carcasa de presión que alberga dicho cuerpo estructurado, comprendiendo dicha carcasa de presión una entrada para dejar entrar dicho gas de alimentación y una salida para dejar salir gas calentado, en el que dicha entrada está ubicada de modo que dicho gas de alimentación entra en dicho cuerpo estructurado en un primer extremo y dicho gas calentado sale de dicho cuerpo por un segundo extremo; y
c) una capa de aislamiento térmico entre dicho cuerpo estructurado y dicha carcasa de presión.
Además, la presente tecnología proporciona un proceso para calentar un gas de alimentación en un sistema de calentamiento como se describe en la presente memoria; dicho proceso comprende las etapas de:
- presurizar dicho gas de alimentación,
- suministrar dicho gas de alimentación presurizado al sistema de calentamiento,
- suministrar potencia eléctrica por medio de conductores eléctricos que conectan un suministro de potencia eléctrica colocada fuera de dicha carcasa de presión a dicho cuerpo estructurado, lo que permite que una corriente eléctrica circule por medio de dicho material conductor eléctricamente, de este modo se calienta por lo menos parte del cuerpo estructurado,
- calentar el gas de alimentación sobre el cuerpo estructurado y
- dar salida a un gas calentado desde el sistema de calentamiento.
En las reivindicaciones dependientes, las figuras y el siguiente texto de descripción se establecen aspectos adicionales de la presente tecnología.
Leyendas de las Figuras
La Figura 1a ilustra una sección transversal a través de una realización del sistema de calentamiento de la invención con un cuerpo estructurado que comprende un cuerpo estructurado, en una sección transversal.
La Figura 1b ilustra el sistema de calentamiento de la Figura 1a con una parte de la carcasa de presión y la capa de aislamiento térmico eliminadas.
La Figura 2 ilustra una vista ampliada de una parte del sistema de calentamiento.
La Figura 3 ilustra una realización de un cuerpo estructurado.
La Figura 4 ilustra una sección transversal a través de la realización de un cuerpo estructurado ilustrado en la Figura 3.
La Figura 5 ilustra una realización de un cuerpo estructurado.
La Figura 6 ilustra una realización de un cuerpo estructurado.
La Figura 7 ilustra una realización de un cuerpo estructurado.
La Figura 8 ilustra una realización de un cuerpo estructurado.
Divulgación detallada
Realizaciones específicas
La presente tecnología describe un cuerpo estructurado para su uso en un sistema calentado eléctricamente para facilitar la tarea de calentar gas en un diseño compacto en un planteamiento bajo demanda.
Un sistema de calentamiento eléctrico compacto que utiliza un cuerpo estructurado se puede hacer funcionar fácilmente y utiliza principios de puesta en marcha sencillos cuando sea necesario. Esto da como resultado una planta relativamente barata.
Al disponer una segunda estructura macroscópica por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de una primera estructura macroscópica, se puede reducir considerablemente la densidad de corriente en la conexión entre la primera y la segunda estructura macroscópica. Además, se puede reducir el riesgo de desviación.
Se proporciona así un cuerpo estructurado dispuesto para calentar un gas de alimentación, comprendiendo dicho cuerpo estructurado una primera estructura macroscópica y una segunda estructura macroscópica, cada una de las cuales se extiende en una dirección longitudinal desde un primer extremo hasta un segundo extremo, donde dicho primer extremo forma una entrada de dicha primera y segunda estructura macroscópica para dicho gas de alimentación y dicho segundo extremo forma una salida para el gas calentado, comprendiendo dicha primera y segunda estructura macroscópica una estructura de red tridimensional, en el que la estructura de red forma trayectorias de flujo que permiten que el gas de alimentación fluya desde dicho primer extremo a dicho segundo extremo, estando formada la estructura de red por un material metálico que es eléctricamente conductor, en el que la segunda estructura macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica, y en el que la primera y la segunda estructura macroscópica están conectadas eléctricamente en el segundo extremo.
Tal como se usa en la presente memoria, el término "estructura macroscópica" se refiere a una estructura que es lo suficientemente grande para ser visible a simple vista, sin dispositivos de aumento. Las dimensiones de la estructura macroscópica suelen estar en el intervalo de centímetros o incluso metros. Las dimensiones de la estructura macroscópica se hacen corresponder ventajosamente por lo menos parcialmente con las dimensiones interiores de la carcasa de presión en la que puede disponerse el cuerpo estructurado, dejando espacio para la capa de aislamiento térmico y los conductores.
La primera y la segunda estructura macroscópica comprenden ambas una estructura de red tridimensional. Así, la primera y la segunda estructura macroscópica se forman como una estructura tridimensional que tiene una o más aberturas en la estructura. Estas aberturas pueden ser, por ejemplo, canales de flujo para el gas, recortes rellenos con un material diferente al de la parte restante de la primera y la segunda estructura macroscópica, recortes que no están rellenos con un material u otras aberturas. El tamaño y/o la forma y/o la posición de las aberturas pueden variar, p. ej., a lo largo de la dirección longitudinal y/o a lo largo de una dirección transversal a la dirección longitudinal.
La estructura de red está formada por un material metálico eléctricamente conductor, tal como una aleación que comprende una o más sustancias seleccionadas del grupo que consiste en Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn y Si.
El material conductor eléctricamente para la estructura de red es ventajosamente un material coherente o sistemáticamente intraconectado para lograr conductividad eléctrica en todo el material conductor eléctricamente, y de ese modo lograr conductividad térmica en todo el cuerpo estructurado, y en particular proporcionar calentamiento del material catalizador, cuando el cuerpo estructurado comprende un material catalizador. Mediante el material coherente o sistemáticamente intraconectado resulta posible asegurar una distribución uniforme de la corriente dentro del material conductor eléctricamente y, por tanto, una distribución uniforme del calor dentro del cuerpo estructurado. A lo largo de este texto, el término “coherente” se entiende como sinónimo de cohesivo y, por tanto, se refiere a un material que está sistemáticamente intraconectado o sistemáticamente acoplado. El efecto de que el cuerpo estructurado sea un material coherente o sistemáticamente intraconectado es que se obtiene un control sobre la conectividad dentro del material del cuerpo estructurado y, por lo tanto, la conductividad del material conductor eléctricamente. Se debe tener en cuenta que incluso si se realizan modificaciones adicionales del material conductor eléctricamente, tal como la dotación de espacios recortados dentro de partes del material conductor eléctricamente, el material conductor eléctricamente todavía se denota como un material coherente o sistemáticamente intraconectado.
La segunda estructura macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente de forma circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica. En una realización, la segunda estructura macroscópica puede ser una estructura alargada que se extiende en la dirección longitudinal y que es hueca para rodear completamente la primera estructura macroscópica, con lo que una superficie interior de la segunda estructura macroscópica mira hacia una superficie exterior de la primera estructura macroscópica. En una realización alternativa, la segunda estructura macroscópica puede estar dispuesta de manera parcialmente circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica, con lo que una parte de una superficie interior de la segunda mira hacia una parte de una superficie exterior de la primera estructura macroscópica.
El cuerpo estructurado puede estar configurado para dirigir una corriente eléctrica que circule a través de la primera estructura macroscópica desde el primer extremo hasta dicho segundo extremo, luego a través de la segunda estructura macroscópica desde el segundo extremo hasta el primer extremo al conectar eléctricamente la primera y la segunda estructura macroscópica en el segundo extremo.
La primera y la segunda estructura macroscópica pueden estar formadas en una sola pieza, con lo cual la conexión eléctrica puede formar parte de este único elemento, es decir, la conexión eléctrica puede ser una porción de transición que también forma parte de la única pieza.
En una realización alternativa, la primera y la segunda estructura macroscópica se forman como dos elementos separados que pueden unirse entre sí en el segundo extremo para proporcionar de este modo una conexión eléctrica entre la primera y la segunda estructura macroscópica.
En una alternativa adicional, el cuerpo estructurado puede comprender un elemento puente que puede estar dispuesto entre la primera y la segunda estructura macroscópica para proporcionar de este modo una conexión eléctrica entre la primera y la segunda estructura macroscópica.
La estructura de red puede sostener por lo menos parcialmente un recubrimiento cerámico. La expresión "sostener un recubrimiento cerámico" pretende indicar que la estructura de red está recubierta por el recubrimiento cerámico en, por lo menos, una parte de la superficie de la estructura de red. Así, el término no implica que toda la superficie de la estructura de red esté recubierta por el recubrimiento cerámico; en particular, por lo menos las partes de la estructura macroscópica que están configuradas para conectarse eléctricamente a conductores no tienen un recubrimiento sobre ellas. El recubrimiento puede ser un material cerámico con poros en la estructura que permiten sostener material catalíticamente activo sobre y dentro del recubrimiento. El recubrimiento cerámico es un material aislante eléctrico y típicamente tendrá un grosor en el intervalo de alrededor de 100 gm, tal como en el intervalo de 10 a 500 gm.
En una realización, por lo menos una parte del recubrimiento cerámico puede sostener un material catalíticamente activo. Ventajosamente, el material catalíticamente activo comprende partículas catalíticamente activas que tienen un tamaño en el intervalo de aproximadamente 5 nm a aproximadamente 250 nm.
La estructura macroscópica se puede producir mediante impresión 3D. La fabricación de la estructura macroscópica también puede incluir la sinterización del elemento impreso en 3D. Se puede proporcionar un recubrimiento cerámico, que puede contener el material catalíticamente activo, sobre la estructura macroscópica antes de una segunda sinterización en una atmósfera oxidante, para formar enlaces químicos entre el recubrimiento cerámico y la estructura macroscópica. De forma alternativa, el material catalíticamente activo puede impregnarse sobre el recubrimiento cerámico después de la segunda sinterización. Cuando se forman enlaces químicos entre el recubrimiento cerámico y la estructura macroscópica, se puede lograr una alta conductividad térmica entre la estructura macroscópica calentada eléctricamente y el material catalíticamente activo que se sostiene por el recubrimiento cerámico, lo que ofrece un contacto cercano y casi directo entre la fuente de calor y el material catalíticamente activo del catalizador estructurado. A causa de la proximidad entre la fuente de calor y el material catalíticamente activo, la transferencia de calor es eficaz, de modo que el catalizador estructurado se puede calentar de manera muy eficaz. De esta forma, es posible un sistema de reactor compacto en términos de procesamiento de gas por volumen del sistema de reactor y, por lo tanto, el sistema de reactor que alberga el catalizador estructurado puede ser compacto.
Tal como se usa en la presente memoria, los términos "impresión 3D" e "impresión 3D" se utilizan para denotar un proceso de fabricación aditiva de metal. Dichos procesos de fabricación aditiva de metales abarcan procesos de impresión 3D en los que el material está unido a una estructura bajo control informático para crear un objeto tridimensional, donde la estructura se debe solidificar, p. ej., mediante sinterización, para proporcionar la estructura macroscópica. Además, dichos procesos de fabricación aditiva de metales abarcan procesos de impresión 3D que no requieren sinterización posterior, tal como los procesos de fusión de lecho de polvo o de deposición directa de energía. Ejemplos de dichos procesos de fusión de lecho de polvo o deposición directa de energía son procesos de impresión 3D con haz láser, haz de electrones o plasma.
Así, por lo menos una de la primera y la segunda estructura macroscópica podrá producirse mediante impresión 3D. En una realización, la primera y la segunda estructura macroscópica pueden producirse como una sola pieza mediante impresión 3D.
Por lo menos una parte de la estructura de la red puede formar una pluralidad de canales de flujo paralelos. Sin embargo, debe entenderse que por lo menos algunos de los canales pueden no ser paralelos. Así, la estructura de red puede tener una pluralidad de canales paralelos, una pluralidad de canales no paralelos y/o una pluralidad de canales laberínticos, donde los canales tienen paredes que definen los canales. De este modo, se pueden utilizar varias formas diferentes de la estructura de red para exponer al gas una gran superficie del cuerpo estructurado. En una realización preferida, la estructura de red tiene cuerpo paralelo, puesto que dichos canales paralelos proporcionan un catalizador estructurado con una caída de presión muy pequeña. En una realización preferida, los canales longitudinales paralelos están sesgados en la dirección longitudinal de la estructura macroscópica. De esta manera, las moléculas del gas que fluyen a través de la estructura macroscópica tenderán en su mayoría a chocar contra una pared dentro de los canales en lugar de sencillamente fluir directamente a través de un canal sin estar en contacto con una pared. La dimensión de los canales debe ser adecuada para proporcionar una estructura macroscópica con una resistividad suficiente. Por ejemplo, los canales podrían ser cuadráticos (como se ve en la sección transversal perpendicular a los canales) y tener una longitud lateral de los cuadrados de entre 1 y 3 mm; sin embargo, son concebibles canales que tengan una extensión máxima en la sección transversal de hasta aproximadamente 4 cm. Las paredes pueden tener, p. ej., un grosor de entre 0,2 y 2 mm, tal como alrededor de 0,5 mm, y el recubrimiento cerámico que se sostiene por las paredes puede tener un grosor de entre 10 pm y 500 pm, tal como entre 50 pm y 200 pm, tal como 100 pm.
Por lo menos una de la primera y la segunda estructura macroscópica puede comprender una pared circunferencial que forma un espacio interno, estando formada la pared circunferencial de un material metálico que es eléctricamente conductor, y en el que la red está dispuesta en el espacio interno. En una realización, la estructura de red puede formar una pluralidad de paredes internas que pueden estar dispuestas en el espacio interno formado por la pared circunferencial. La pluralidad de paredes internas puede formar una pluralidad de canales de flujo desde el primer extremo hasta el segundo extremo.
La segunda estructura macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente de forma circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica. La segunda estructura macroscópica puede estar dispuesta circunferencialmente alrededor de por lo menos el 50 %, tal como por lo menos el 60 %, tal como por lo menos el 70 %, tal como por lo menos el 80 %, tal como por lo menos el 90 %, tal como el 100 % de una superficie exterior de la primera estructura macroscópica.
Cuando la segunda estructura macroscópica está dispuesta circunferencialmente alrededor del 50 % de una superficie exterior de la primera estructura macroscópica, la mitad de la superficie exterior de la primera estructura macroscópica mira hacia la segunda estructura macroscópica, mientras que el otro 50 % de la superficie exterior de la primera estructura macroscópica no mira hacia la segunda estructura macroscópica.
Para facilitar la disposición de la segunda estructura macroscópica por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica, una superficie exterior de la primera estructura macroscópica puede coincidir con una superficie interior de la segunda estructura macroscópica. Se debe entender que las formas pueden coincidir, mientras que los tamaños pueden ser diferentes para asegurar que las primera y segunda estructura macroscópica no estén dispuestas en contacto entre sí a lo largo de la dirección longitudinal de la misma. La primera y la segunda estructura macroscópica están conectadas eléctricamente en el segundo extremo para permitir un flujo de corriente a través de la primera y la segunda estructura macroscópica.
Al proporcionar la primera estructura macroscópica con la superficie exterior que coincide con la superficie interior de la segunda estructura macroscópica, se puede minimizar la distancia entre la primera y la segunda estructura macroscópica.
En una realización, la superficie exterior de la primera estructura macroscópica en una sección transversal a la dirección longitudinal puede ser sustancialmente circular. Por lo menos una parte de la superficie exterior de la segunda estructura macroscópica en una sección transversal a la dirección longitudinal puede ser asimismo sustancialmente circular. En una realización alternativa, la superficie exterior de la primera estructura macroscópica en una sección transversal a la dirección longitudinal puede tener sustancialmente forma ovalada, cuadrada, triangular, pentagonal, hexagonal u otra forma de polígono. Así, la superficie exterior puede tener cualquier forma arbitraria. Por lo menos un puerto de la superficie interior de la segunda estructura macroscópica puede asimismo formar cualquiera de las formas mencionadas, o una sección de dicha forma. Esto último es especialmente relevante en realizaciones en las que la segunda estructura macroscópica está dispuesta de forma parcialmente circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica.
La primera y la segunda estructura macroscópica pueden estar dispuestas de forma sustancialmente coaxial.
En una realización particular de la invención, el cuerpo estructurado comprende además una o más estructuras macroscópicas adicionales, en el que cada estructura macroscópica adicional está dispuesta por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la estructura macroscópica dispuesta más cerca de la estructura macroscópica adicional en su lado interior. Las estructuras macroscópicas vecinas pueden conectarse preferiblemente eléctricamente de forma alternada en el primer extremo y en el segundo extremo. En una realización particular, la realización estructurada comprende un número par de estructuras macroscópicas adicionales. En una realización particular, la realización estructurada comprende un número impar de estructuras macroscópicas adicionales. En el caso de un número impar de estructuras macroscópicas adicionales, el cuerpo estructurado puede comprender una pared conductora de un material conductor eléctricamente dispuesta por lo menos parcialmente de forma circunferencial alrededor de la estructura macroscópica adicional más exterior, en el que la pared conductora y la estructura macroscópica adicional más exterior están conectadas eléctricamente en el segundo extremo. La función de dicha pared conductora es conducir la corriente desde el segundo extremo al primer extremo del cuerpo estructurado para permitir que un segundo conductor que pasa corriente eléctrica fuera del cuerpo estructurado se conecte al primer extremo del cuerpo estructurado en lugar de al segundo extremo, véase a continuación para obtener una explicación más detallada del primer y segundo conductores. Esto es preferible, ya que el primer extremo típicamente funciona a una temperatura más baja que el segundo extremo del cuerpo estructurado y, por lo tanto, se reduce el riesgo de ruptura de la conexión entre el conductor y la estructura macroscópica.
En una realización particular, el cuerpo estructurado comprende una primera estructura macroscópica adicional, en el que la primera estructura macroscópica adicional está dispuesta por lo menos parcialmente circunferencialmente alrededor de la segunda estructura macroscópica, y en el que la primera y la segunda estructura macroscópica adicional están conectadas eléctricamente en el primer extremo. En este caso, el cuerpo estructurado puede estar configurado para dirigir una corriente eléctrica que circule a través de la primera estructura macroscópica desde el primer extremo hasta dicho segundo extremo, luego a través de la segunda estructura macroscópica desde el segundo extremo hasta el primer extremo, y posteriormente a través de la primera estructura macroscópica adicional desde el primer extremo hasta el segundo extremo.
La primera, la segunda y otras estructuras macroscópicas adicionales pueden estar dispuestas de forma sustancialmente coaxial. Debe entenderse que las observaciones anteriores en relación con la forma y el tamaño relativos de la primera y la segunda estructura macroscópica son igualmente aplicables en relación con la segunda y otras estructuras macroscópicas adicionales.
Debe entenderse además que el cuerpo estructurado puede comprender incluso más estructuras macroscópicas, tal como cuatro, cinco o incluso más.
Para facilitar un flujo de corriente a través del cuerpo estructurado, el cuerpo estructurado puede comprender además por lo menos un primer y un segundo conductor conectados eléctricamente a dicha primera y segunda estructura macroscópica, respectivamente, y a un suministro de potencia eléctrica, en el que dicho suministro de potencia eléctrica puede estar dimensionado para calentar por lo menos parte de dicha primera y segunda estructura macroscópica a una temperatura de por lo menos 500 °C al pasar una corriente eléctrica a través de dichas estructuras macroscópicas, estando los conductores conectados en posiciones en la primera y la segunda estructura macroscópica más cercanas a dicho primer extremo que a dicho segundo extremo, estando configurado el cuerpo estructurado para dirigir una corriente eléctrica que circule desde el primer conductor a través de la primera estructura macroscópica hasta dicho segundo extremo, luego a través de la segunda estructura macroscópica hasta el segundo conductor.
Preferiblemente, el primer y segundo conductor están conectados al primer extremo del cuerpo estructurado o dentro de un cuarto de la longitud de las estructuras macroscópicas, estando ubicado el cuarto más cercano al primer extremo.
Para facilitar la sujeción del primer y segundo conductor, la primera y la segunda estructura macroscópica pueden comprender, cada una, una sección de sujeción para permitir la sujeción del primer y segundo conductor, respectivamente. Las secciones de sujeción pueden imprimirse en 3D en una sola pieza con la primera y la segunda estructura macroscópica.
Por lo menos una de la primera y la segunda estructura macroscópica puede comprender una estructura de red que comprende una pluralidad de recortes. Los recortes pueden rellenarse con un material de recorte que tenga una conductividad menor que la del material metálico. Los recortes se pueden formar como parte de un proceso de impresión 3D que puede utilizarse para formar la(s) estructura(s) de red.
En una realización, el material de recorte puede ser un hueco. Es decir, los recortes pueden estar vacíos para proporcionar así aberturas a través de las cuales puede pasar el gas cuando fluye desde el primer extremo al segundo extremo. Estos recortes pueden aumentar la mezcla del gas que pasa a través de la estructura macroscópica.
En una realización alternativa, el material de recorte es un material de recorte sólido. En consecuencia, los recortes se pueden cerrar, con lo que se puede impedir la mezcla de gas que fluye desde el primer extremo al segundo extremo a través de estos recortes. La estructura de red puede comprender recortes rellenos con diferentes materiales, donde un primer recorte puede llenarse con un primer material de recorte, mientras que un segundo recorte puede llenarse con un segundo material de recorte. En una realización, el material de recorte sólido sostiene por lo menos parcialmente un recubrimiento cerámico con un material catalíticamente activo similar al del material metálico. En esta realización se consigue una mayor actividad catalítica en paralelo al control de la resistencia del material.
El material de recorte sólido puede tener propiedades termomecánicas que sean sustancialmente equivalentes a las propiedades termomecánicas del material metálico que forma la estructura de red. Las propiedades termomecánicas pueden ser el coeficiente de expansión térmica para lograr de este modo una expansión sustancialmente igual de la estructura de red y el material de recorte sólido dispuesto en los recortes durante el uso del catalizador. De forma alternativa o adicional, las propiedades termomecánicas pueden ser la resistencia a la tracción.
La estructura de red puede, en una realización, comprender uno o más recortes que son huecos y uno o más recortes rellenos con un material de recorte sólido. Así, la estructura de red puede comprender un primer subgrupo de recortes que son huecos, y puede comprender un segundo subgrupo de recortes que está relleno de un material de recorte sólido. Se debe entender que un subgrupo puede comprender solo un único recorte. Debe entenderse además que los recortes del segundo subgrupo pueden rellenarse con diferentes materiales, de modo que un primer recorte se rellena con un primer material de recorte, mientras que un segundo recorte se rellena con un segundo material de recorte.
Los recortes pueden tener una pluralidad de formas. A modo de ejemplo, por lo menos uno de los recortes tiene una forma seleccionada del grupo que consiste en una esfera, un disco, un elipsoide, una gotita, una espiral y un poliedro, tal como por ejemplo una caja, una pirámide, un diamante y un rombo.
En una realización, todos los recortes tienen la misma forma, mientras que por lo menos algunos de los recortes en otras realizaciones son de una forma diferente. A modo de ejemplo, una estructura de red puede comprender un primer grupo de recortes que tienen forma de disco y un segundo grupo de recortes que tienen forma de esfera. Así, la estructura de red puede comprender recortes de los cuales por lo menos dos son de forma y/o Figura diferente.
La estructura macroscópica puede comprender guías de flujo para asegurar la distribución del flujo de gas que fluye desde la entrada en el primer extremo hacia la salida en el segundo extremo. Estas guías de flujo pueden imprimirse en 3D como una sola pieza con la estructura macroscópica. La guía de flujo puede formar parte de la estructura de la red y puede imprimirse en 3D como parte de la estructura de red.
Las guías de flujo pueden, en una realización, estar distribuidas uniformemente a lo largo de la dirección longitudinal de la estructura macroscópica, mientras que en otra realización pueden estar distribuidas de manera desigual. Debe entenderse además que, en una realización, la guía de flujo puede estar dispuesta a lo largo de una parte de la dirección longitudinal y, en una realización alternativa, estar dispuesta a lo largo de toda la longitud de la estructura macroscópica en la dirección longitudinal.
Las guías de flujo también pueden servir de terminales eléctricas que pueden minimizar la resistencia de contacto y, de ese modo, proporcionar una distribución de corriente más uniforme.
Se proporciona un sistema de calentamiento para calentar un gas de alimentación; dicho sistema de calentamiento comprende:
a) por lo menos un cuerpo estructurado como se describe en la presente memoria;
b) una carcasa de presión que alberga dicho cuerpo estructurado, comprendiendo dicha carcasa de presión una entrada para dejar entrar dicho gas de alimentación y una salida para dejar salir gas calentado, en el que dicha entrada está ubicada de modo que dicho gas de alimentación entra en dicho cuerpo estructurado en un primer extremo y dicho gas calentado sale de dicho cuerpo por un segundo extremo; y
c) una capa de aislamiento térmico entre dicho cuerpo estructurado y dicha carcasa de presión.
La disposición del sistema de calentamiento permite introducir un gas de alimentación presurizado al sistema de calentamiento en una entrada y dirigir este gas hacia la carcasa de presión del sistema de calentamiento. Dentro de la carcasa de presión, se dispone una configuración de capas de aislamiento térmico y material inerte para dirigir el gas de alimentación a través del cuerpo estructurado. El gas calentado del cuerpo estructurado calentado se conduce a la salida del sistema de calentamiento.
Debe entenderse que un experto en la materia reconocería fácilmente que cualquier característica descrita en combinación con un cuerpo estructurado también podría combinarse con el sistema de calentamiento para calentar un gas de alimentación, y viceversa.
En una realización, el sistema de calentamiento puede comprender un único cuerpo estructurado que comprende una primera y una segunda estructura macroscópica, donde la segunda estructura macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica. En una realización alternativa, el sistema de calentamiento puede comprender un único cuerpo estructurado que comprende una primera, una segunda y por lo menos una estructura macroscópica adicional, donde la segunda estructura macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica, y en el que la por lo menos una estructura macroscópica adicional está dispuesta por lo menos circunferencialmente alrededor de la segunda estructura macroscópica.
En una realización alternativa adicional, el sistema de calentamiento puede comprender dos o más cuerpos estructurados que pueden conectarse para proporcionar un conjunto de cuerpos estructurados. En el conjunto de cuerpos estructurados, los cuerpos estructurados pueden estar conectados eléctricamente entre sí. Los cuerpos estructurados pueden colocarse adyacentes entre sí.
Una característica importante del proceso de calentamiento por resistencia es que la energía se suministra dentro del propio objeto, en lugar de suministrarse desde una fuente de calor externa por medio de conducción, convección y radiación de calor. Además, la parte más caliente del sistema de calentamiento estará dentro de la carcasa de presión del sistema de calentamiento. Preferiblemente, el suministro de potencia eléctrica y el cuerpo estructurado están dimensionados de modo que por lo menos parte del cuerpo estructurado alcance una temperatura de por lo menos 700 °C, preferiblemente por lo menos 900 °C, más preferiblemente por lo menos 1000 °C.
El área superficial del material conductor eléctricamente, la fracción del material conductor eléctricamente recubierto con un recubrimiento cerámico (opcional) y el tipo y estructura del recubrimiento cerámico pueden adaptarse a las condiciones de funcionamiento específicas.
El sistema de calentamiento puede comprender un sistema de control dispuesto para controlar el suministro de potencia eléctrica para asegurar que la temperatura del gas que sale de la carcasa de presión se encuentre dentro de un intervalo predeterminado.
El gas calentado que sale del sistema de calentamiento por la salida puede tener sustancialmente la misma composición química y el caudal molar en el gas de alimentación, ya que no se produce ninguna reacción química en el sistema de calentamiento. Así, el gas de alimentación puede tener fundamentalmente la misma composición química tanto en la entrada como en la salida de la carcasa de presión.
El sistema de calentamiento puede comprender por lo menos dos conductores conectados eléctricamente al cuerpo estructurado y a un suministro de potencia eléctrica colocado fuera de dicha carcasa de presión, en el que dicho suministro de potencia eléctrica está dimensionado para calentar por lo menos parte de dicho cuerpo estructurado a una temperatura de por lo menos 400 °C haciendo pasar una corriente eléctrica a través de la primera y la segunda estructura macroscópica, en el que dichos por lo menos dos conductores están conectados a la primera estructura macroscópica en una posición más cercana al primer extremo, y en el que el cuerpo estructurado está construido para dirigir una corriente eléctrica que circule desde un conductor sustancialmente por medio de la primera estructura macroscópica a la segunda estructura macroscópica y regrese a un segundo de dichos por lo menos dos conductores.
Preferiblemente, los conductores están hechos de un material diferente al material conductor eléctricamente. Los conductores pueden ser, por ejemplo, de hierro, níquel, aluminio, cobre, plata o una aleación de los mismos.
La expresión “conductor eléctricamente" se refiere a materiales con una resistividad eléctrica en el intervalo de: 10-5 hasta 10-8 O-m a 20 °C. Por lo tanto, los materiales conductores eléctricamente son, p. ej., metales como el cobre, la plata, el aluminio, el cromo, el hierro, el níquel o aleaciones de metales. Además, el término "aislante eléctrico" se refiere a materiales con una resistividad eléctrica superior a 10 O m a 20 °C, p. ej., en el intervalo de 109 hasta 1025 O-m a 20 °C.
El flujo de gas sobre el cuerpo estructurado puede ser axial o coaxial con la trayectoria de la corriente a través del cuerpo estructurado, perpendicular a la trayectoria de la corriente o tener cualquier otra dirección apropiada en relación con la trayectoria de la corriente.
El suministro de potencia eléctrica puede estar dimensionado para calentar por lo menos parte de dicho cuerpo estructurado a una temperatura de por lo menos 700 °C, preferiblemente por lo menos 900 °C, más preferiblemente por lo menos 1000 °C.
La materia prima puede ser corrientes sustancialmente puras de vapor y un hidrocarburo, o de forma alternativa puede ser CO<2>puro o H<2>puro. Asimismo, la materia prima para el proceso de calentamiento puede incluir corrientes de reciclaje de operaciones unitarias en una fase posterior al sistema de calentamiento.
En una realización, el gas de alimentación puede ser CO<2>sustancialmente puro, que se calienta a 800 °C, o incluso 1000 °C, o incluso 1200 °C. El CO<2>calentado puede, después de salir del sistema de calentamiento, mezclarse con un gas de síntesis caliente y equilibrarse según las reacciones de reformado de metano con vapor, metanización y desplazamiento inverso del gas de agua en un convertidor posterior adiabático (APOC) para la producción de CO en un gas de síntesis rico en CO.
Por reacción inversa de desplazamiento del gas de agua se entiende:
CO2 H2 £; H20 CO
La reacción de metanización (y reformado con vapor inverso) se entiende como:
CO 3H2 U H20 CH4
El gas de síntesis caliente puede provenir de cualquier tecnología de reformado adecuada, tal como un reformador tubular, un reformador autotérmico o un reformador eléctrico.
El uso del convertidor posterior adiabático (APOC) permite un funcionamiento del proceso global para la producción de gas de síntesis en condiciones muy graves y con baja adición de vapor en comparación con, p. ej., un reformador tubular autónomo, ya que de esta manera se pueden eludir parcialmente los límites de carbono, lo que de lo contrario plantearía limitaciones de proceso en dicho sistema de reactor.
Por corriente de gas de síntesis rica en CO se entiende una corriente de gas con una cantidad relativamente alta de CO. En una realización, el gas de síntesis rico en CO comprende una mezcla de gases con una relación H<2>/CO por debajo de 3, tal como preferiblemente por debajo de 2, o incluso por debajo de 1.
En una realización, el gas de alimentación es una mezcla de diferentes gases, tal como N<2>y H<2>.
En una realización, el gas de alimentación calentado que comprende N<2>y H<2>puede utilizarse para reducir un catalizador de amoníaco, p. ej., en un reactor de síntesis de amoníaco posterior. El gas de alimentación calentado que comprende N<2>y H<2>puede calentarse a 500 °C.
Cuando el sistema de calentamiento comprende una capa de aislamiento térmico entre el cuerpo estructurado y la carcasa de presión, se obtiene un aislamiento térmico y eléctrico apropiado entre el cuerpo estructurado y la carcasa de presión. La presencia de una capa aislante del calor entre la carcasa de presión y el cuerpo estructurado ayuda a evitar un calentamiento excesivo de la carcasa de presión y ayuda a reducir las pérdidas térmicas en el entorno. Las temperaturas del cuerpo estructurado pueden alcanzar hasta aproximadamente 1300 °C, por lo menos en algunas partes. Sin embargo, mediante el uso de la capa de aislamiento térmico entre el cuerpo estructurado y la carcasa de presión, esta última puede mantenerse a temperaturas significativamente más bajas, de digamos 500 °C o incluso 100 °C. Esto resulta ventajoso, ya que los materiales de acero de construcción típicos típicamente no son adecuados en aplicaciones que soportan presión a temperaturas superiores a 1000 °C. Además, una capa de aislamiento térmico entre la carcasa de presión y el cuerpo estructurado ayuda en el control de la corriente eléctrica dentro del sistema de calentamiento, puesto que la capa de aislamiento térmico también es eléctricamente aislante. La capa de aislamiento térmico podría ser una o más capas de material sólido, tal como cerámica, material inerte, material de fibra, ladrillos o una barrera de gas o una combinación de los mismos. Así, también es concebible que un gas de purga o un gas confinado constituya o forme parte de la capa de aislamiento térmico.
Debe tenerse en cuenta que la expresión "material aislante del calor" se refiere a materiales que tienen una conductividad térmica de aproximadamente 10 W-m'1-K'1 o menos. Ejemplos de materiales aislantes del calor son la cerámica, los ladrillos, los materiales de alúmina, los materiales de circonia y similares.
Ventajosamente, cualquier espacio relevante entre el cuerpo estructurado, la capa de aislamiento térmico, la carcasa de presión y/o cualquier otro componente dentro del sistema de calentamiento se rellena con material inerte, p. ej., en forma de pellets inertes. Dichos espacios son, p. ej., un espacio entre el lado inferior del cuerpo estructurado y el fondo de la carcasa de presión y un hueco entre los lados del cuerpo estructurado y la capa aislante que cubre los lados interiores de la carcasa de presión. El material inerte puede ser, p. ej., un material cerámico en forma de pellets o mosaicos. El material inerte ayuda a controlar la distribución de gas a través del sistema de calentamiento y a controlar el flujo de gas a través del cuerpo estructurado. Además, el material inerte típicamente tiene un efecto aislante del calor.
La carcasa de presión puede tener una presión de diseño de entre 2 bar y 30 bar. La presión real de funcionamiento estará determinada por el tamaño de las plantas, entre otros aspectos. Como la parte más caliente del sistema de calentamiento es el material conductor eléctricamente, que estará rodeado por una capa de aislamiento térmico y dentro de la carcasa de presión del sistema de calentamiento, la temperatura de la carcasa de presión se puede mantener significativamente más baja que la temperatura máxima del proceso. Esto permite tener una temperatura de diseño relativamente baja de la carcasa de presión, p. ej., 700 °C o 500 °C o, preferiblemente, 300 °C o 100 °C de la carcasa de presión, al mismo tiempo que que se tienen temperaturas de proceso máximas de 400 °C, o incluso 900, o incluso 1100 °C, o incluso hasta 1300 °C en el cuerpo estructurado. La resistencia del material es mayor a la temperatura más baja de estas (correspondiente a la temperatura de diseño de la carcasa de presión como se indica anteriormente). Esto ofrece ventajas a la hora de diseñar el sistema de calentamiento. Así, la carcasa de presión puede tener una presión de diseño de entre 2 bar y 30 bar, o bien entre 30 y 200 bar. Como compromiso entre la economía del proceso y las limitaciones termodinámicas es preferible alrededor de 30 bar.
La resistividad del material conductor eléctricamente puede estar entre 10'5 O-m y 10'7 O-m. Un material con una resistividad dentro de este intervalo proporciona un calentamiento eficaz del cuerpo estructurado cuando se energiza con una fuente de potencia. El grafito tiene una resistividad de aproximadamente 10'5 O m a 20 °C, el kanthal tiene una resistividad de aproximadamente 10'6 O m a 20 °C, mientras que el acero inoxidable tiene una resistividad de aproximadamente 10'7 O m a 20 °C. El material conductor eléctricamente puede ser, por ejemplo, una aleación de FeCr con una resistividad de alrededor de 1,5 10-6 O m a 20 °C.
Típicamente, la carcasa de presión comprende una entrada para dejar entrar gas de alimentación y una salida para dejar salir gas calentado, en el que la entrada está ubicada cerca de un primer extremo de la carcasa de presión y la salida está ubicada cerca de un segundo extremo de la carcasa de presión, y en el que los por lo menos dos conductores están conectados al cuerpo estructurado en una posición del cuerpo estructurado más cercana a la entrada que a la salida. De esta manera, los por lo menos dos conductores se pueden colocar en la parte sustancialmente más fría del sistema de calentamiento ya que el gas de entrada tendrá una temperatura más baja que el gas del producto, el material conductor eléctricamente estará más frío en la parte de la fase más anterior del material debido al calor consumido por el progreso del calentamiento, y el gas de alimentación que pasa a través de la entrada puede enfriar los por lo menos dos conductores antes de calentarse por el cuerpo estructurado calentado a lo largo de la trayectoria del gas sobre el cuerpo estructurado calentado. Es una ventaja que la temperatura de todos los elementos conductores eléctricamente, excepto el material conductor eléctricamente, se mantenga baja para proteger las conexiones entre los conductores y el cuerpo estructurado. Cuando la temperatura de los conductores y otros elementos conductores eléctricamente, excepto el material conductor eléctricamente, es relativamente baja, existen menos limitaciones en cuanto a los materiales adecuados para los conductores y otros elementos conductores eléctricamente, excepto el material conductor eléctricamente. Cuando la temperatura de los elementos conductores eléctricamente aumenta, la resistividad de los mismos aumenta; por lo tanto, se desea evitar el calentamiento innecesario de todas las demás partes que no sean los materiales conductores eléctricamente dentro del sistema de calentamiento. La expresión "elementos conductores eléctricamente, excepto el material conductor eléctricamente" pretende abarcar los elementos conductores eléctricamente relevantes dispuestos para conectar el suministro de potencia al cuerpo estructurado, excepto el propio cuerpo estructurado conductor eléctricamente.
Debe tenerse en cuenta que el sistema de la invención puede incluir cualquier número apropiado de suministros de potencia y cualquier número apropiado de conductores que conectan los suministros de potencia y el(los) material(es) conductor(es) eléctricamente del cuerpo estructurado.
Los por lo menos dos conductores pueden conducirse a través de una carcasa de presión en un accesorio de modo que los por lo menos dos conductores estén aislados eléctricamente de la carcasa de presión. El accesorio puede ser, en parte, de material plástico y/o cerámico. El término "accesorio" se utiliza para designar un dispositivo que permite conectar mecánicamente dos piezas de hardware en una configuración que soporta presión. De este modo, se puede mantener la presión dentro de la carcasa de presión incluso aunque por lo menos dos conductores pasen a través de ella. Ejemplos no limitativos de accesorios pueden ser un accesorio eléctricamente aislante, un accesorio dieléctrico, un sello de compresión de potencia, un accesorio de compresión o un reborde. La carcasa de presión típicamente incluye paredes laterales, paredes de los extremos, rebordes y posiblemente otras partes. El término "carcasa de presión" pretende abarcar cualquiera de estos componentes.
La conexión entre el cuerpo estructurado y los por lo menos dos conductores puede ser una conexión mecánica, una conexión soldada, una conexión cobresoldada o una combinación de las mismas. El cuerpo estructurado puede comprender terminales conectados física y eléctricamente al cuerpo estructurado para facilitar la conexión eléctrica entre el material conductor eléctricamente y los por lo menos dos conductores. El término "conexión mecánica" se refiere a una conexión en la que dos componentes se mantienen unidos mecánicamente, tal como por ejemplo mediante una conexión roscada o mediante sujeción, de modo que una corriente pueda circular entre los componentes.
En una realización particular de un cuerpo estructurado de la invención, la conexión eléctrica entre la primera y la segunda estructura macroscópica se realiza mediante conexión mecánica, sujeción, soldadura, soldadura autógena o cualquier combinación de estos métodos de conexión.
En una realización particular de un cuerpo estructurado de la invención, la conexión eléctrica entre la primera y la segunda estructura macroscópica es en forma de un conector que comprende por lo menos dos medios de enganche, cada uno de los cuales se engancha a una de dicha primera y segunda estructura macroscópica, en el que el medio de enganche tiene una superficie interior con una forma que coincide con por lo menos una parte de la superficie exterior de dicha primera y segunda estructura macroscópica, y en el que el medio de enganche está unido a la superficie exterior de la pared circunferencial mediante una unión a presión. En el contexto de la presente invención, una "unión a presión" (también conocido como ajuste a presión o ajuste por fricción) debe entenderse como una fijación entre dos partes acopladas que encajan perfectamente para producir de este modo una unión que se mantiene junta por fricción después de que las partes se empujan/presionan entre sí. El conector y la(s) estructura(s) macroscópica(s) se pueden unir mediante la aplicación de una presión forzada, p. ej., un apriete, en una parte para deslizarla sobre/dentro de la otra. En una realización particular, el conector está formado por una aleación que comprende una o más sustancias seleccionadas del grupo que consiste en Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn y Si.
En una realización particular de un cuerpo estructurado de la invención, la conexión eléctrica entre la primera y la segunda estructura macroscópica es en forma de un puente de un material conductor eléctricamente, en el que el puente y la primera y la segunda estructura macroscópica juntas forman una estructura coherente. Aquí, "coherente" significa formar una fase continua. En una realización particular, el puente se forma al proporcionar materiales conductores eléctricamente de la primera estructura macroscópica, la segunda estructura macroscópica y el puente en forma de tres entidades separadas, y unir las entidades separadas entre sí mediante un método que comprende una etapa de tratamiento de sinterización u oxidación. En una realización particular, la combinación del puente y la primera y la segunda estructura macroscópica se imprime en 3D y luego se sinteriza. En una realización particular, el material conductor eléctricamente del puente es una aleación que comprende una o más sustancias seleccionadas del grupo que consiste en Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn y Si. En una realización particular, los materiales conductores eléctricamente del puente y de la primera y la segunda estructura macroscópica son los mismos. Los materiales conductores eléctricamente colocados en una matriz de materiales conductores eléctricamente pueden estar conectados eléctricamente entre sí. La conexión entre dos o más materiales conductores eléctricamente puede ser mediante conexión mecánica, sujeción, soldadura, soldadura blanda o cualquier combinación de estos métodos de conexión. Cada material conductor eléctricamente puede comprender terminales para facilitar las conexiones eléctricas. Los dos o más materiales conductores eléctricamente pueden conectarse al suministro de potencia en conexión en serie o en paralelo. La conexión eléctrica entre los dos o más materiales conductores eléctricamente es ventajosamente coherente y uniforme a lo largo de la superficie de conexión entre los dos o más materiales conductores eléctricamente, de modo que los dos o más materiales conductores eléctricamente actúan como un único material coherente o sistemáticamente intraconectado; por este medio, se facilita una conductividad eléctrica uniforme en los dos o más materiales conductores eléctricamente. De forma adicional o alternativa, el cuerpo estructurado puede comprender un conjunto de materiales conductores eléctricamente que no están conectados eléctricamente entre sí. En lugar de ello, se colocan juntos dentro de la carcasa de presión dos o más materiales conductores eléctricamente, pero no se conectan eléctricamente entre sí. En este caso, el cuerpo estructurado comprende materiales conductores eléctricamente conectados en paralelo al suministro de potencia.
Se puede añadir un recubrimiento cerámico directamente a una superficie metálica del material conductor eléctricamente mediante un recubrimiento de lavado. El recubrimiento de lavado de una superficie metálica es un proceso bien conocido; se da una descripción en, p. ej., Cybulski, A. y Moulijn, J. A.," Structured bodys and reactors", Marcel Dekker, Inc., Nueva York, 1998, Capítulo 3, y las referencias en la presente memoria. El recubrimiento cerámico puede ser, por ejemplo, un óxido que comprende Al, Zr, Mg, Ce y/o Ca. Los recubrimientos ejemplares son el aluminato de calcio o una espinela de magnesio y aluminio. Un recubrimiento cerámico de este tipo puede comprender otros elementos, tales como La, Y, Ti, K o combinaciones de los mismos. El recubrimiento cerámico es un material aislante eléctrico y típicamente tendrá un grosor en el intervalo de alrededor de 100 gm, digamos 10-500 gm.
La extrusión y sinterización o impresión 3D de una estructura macroscópica da como resultado una estructura macroscópica con una forma uniforme y coherente, que después se puede recubrir con el recubrimiento cerámico.
El material conductor eléctricamente y el recubrimiento cerámico pueden haberse sinterizado en una atmósfera oxidante para formar enlaces químicos entre el recubrimiento cerámico y el material conductor eléctricamente; esto proporciona una conductividad térmica especialmente alta entre el material conductor eléctricamente y el recubrimiento cerámico. De este modo, el cuerpo estructurado es compacto en términos de transferencia de calor, y un sistema de calentamiento que alberga el cuerpo estructurado puede ser compacto y estar limitado principalmente por la tasa de calentamiento.
En una realización, el cuerpo estructurado puede tener por lo menos una parte eléctricamente aislante dispuesta para aumentar la trayectoria de corriente entre los conductores a una longitud mayor que la dimensión más grande del cuerpo estructurado. La dotación de una trayectoria de corriente entre los conductores más grande que la dimensión más grande del cuerpo estructurado puede ser mediante la dotación de una o más partes eléctricamente aislantes ubicadas entre los conductores e impedir que la corriente circule a través de alguna parte del cuerpo estructurado. Dichas partes aislantes eléctricamente están dispuestas para aumentar la trayectoria de la corriente y, por tanto, aumentar la resistencia a través del cuerpo estructurado. Por este medio, la trayectoria actual a través del cuerpo estructurado puede ser, p. ej., más del 50 %, 100 %, 200 %, 1000 % o incluso 10.000 % más larga que la dimensión más grande del cuerpo estructurado.
Ejemplos no limitativos de partes aislantes son cortes, hendiduras o agujeros en la estructura. Opcionalmente se puede utilizar un material aislante sólido tal como cerámica en cortes o hendiduras en la estructura. Un material aislante sólido dentro de un corte o hendidura ayuda a mantener las partes del cuerpo estructurado en los lados del corte o hendidura uno del otro. Tal como se usa en la presente memoria, la expresión "dimensión más grande del cuerpo estructurado" se refiere a la dimensión interior más grande de la forma geométrica adoptada por el cuerpo estructurado. Si el cuerpo estructurado tiene forma de caja, la dimensión más grande sería la diagonal desde una esquina hasta la esquina más lejana, también denominada diagonal espacial.
Debe tenerse en cuenta que las partes aislantes dispuestas para aumentar la trayectoria de la corriente no están necesariamente relacionadas con el recubrimiento cerámico del material conductor eléctricamente; aunque este recubrimiento cerámico también se considera eléctricamente aislante, no cambia la longitud de la trayectoria de la corriente entre los conductores conectados al material conductor eléctricamente.
Debe tenerse en cuenta que, si bien la corriente a través del cuerpo estructurado puede estar dispuesta para torcerse o enrollarse a través de dicho cuerpo debido a las partes aislantes eléctricamente dispuestas para aumentar la trayectoria de la corriente, el gas que pasa a través del sistema de calentamiento entra por un extremo del sistema de calentamiento, pasa sobre el cuerpo estructurado una vez antes de salir del sistema de calentamiento. De manera ventajosa, se encuentra presente material inerte en los espacios relevantes entre el cuerpo estructurado y el resto del sistema de calentamiento para asegurar que el gas dentro del sistema de calentamiento pasa sobre el cuerpo estructurado.
La longitud del paso del gas a través del cuerpo estructurado es adecuadamente menor que la longitud del paso de la corriente desde un electrodo a través del cuerpo estructurado y hasta el siguiente electrodo. La relación entre la longitud del paso de gas y la longitud del paso de corriente puede ser inferior a 0,6, 0,3, 0,1 o incluso 0,002.
La superficie geométrica de la estructura macroscópica puede estar entre 100 y 3000 m2/m3 tal como entre 500 y 1100 m2/m3. Típicamente, el material de la estructura macroscópica se elige como un material dispuesto para suministrar un flujo de calor de 500 W/m2 hasta 50 kW/m2 mediante calentamiento por resistencia del material. Preferiblemente, el calentamiento por resistencia del material proporciona un flujo de calor de entre 5 kW/m2 y 12 kW/m2 por ejemplo entre 8 kW/m2 y 10 kW/m2. El flujo de calor se da como calor por área de superficie geométrica de la superficie expuesta al gas.
El intervalo de temperatura predeterminado del gas que sale de la carcasa de presión/sistema de calentamiento es de 200 a 1400 °C. La temperatura de salida del gas calentado del cuerpo estructurado se mide directamente por debajo de o en la superficie más en una fase posterior del cuerpo estructurado. La tecnología de medición puede ser mediante termopares (por caída de tensión), detectores de temperatura de resistencia o detección por infrarrojos. El punto de medición puede estar separado del cuerpo estructurado y embutido en un material inerte en una fase posterior, o bien estar directamente sobre la superficie con una cobertura superficial aislante.
El cuerpo estructurado dentro de dicho sistema de calentamiento tiene adecuadamente una relación entre el diámetro equivalente del área de una sección transversal horizontal a través del cuerpo estructurado y la altura del cuerpo estructurado en el intervalo de 0,05 a 2,0. El diámetro equivalente del área de la sección transversal a través del sistema de calentamiento se define como el diámetro de un círculo de área equivalente al área de la sección transversal. Cuando la relación entre el diámetro equivalente del área y la altura del cuerpo estructurado está entre 0,1 y 2,0, la carcasa de presión que alberga el cuerpo estructurado puede ser relativamente pequeña en comparación con otros sistemas de calentamiento.
Típicamente, el gas fluye a través del sistema de calentamiento en una dirección de flujo ascendente o descendente, de modo que el gas fluye a través de canales en el cuerpo estructurado a lo largo de la altura del mismo.
El volumen del cuerpo estructurado se elige en vista de la temperatura deseada fuera del sistema de calentamiento correlacionada con la capacidad de generación de calor del material conductor eléctricamente.
La altura del sistema de calentamiento puede estar entre 0,5 y 7 m, más preferiblemente entre 0,5 y 3 m. Un valor ejemplar de la altura del sistema de calentamiento es una altura inferior a 5 metros, preferiblemente inferior a 2 m o incluso 1 m. Las dimensiones del sistema de calentamiento y del cuerpo estructurado dentro del sistema de calentamiento están correlacionadas; por supuesto, la carcasa de presión y la capa de aislamiento térmico hacen que el sistema de calentamiento sea algo más grande que el propio cuerpo estructurado.
El sistema de calentamiento descrito anteriormente no es un sistema segregado. Como el calor no se transfiere a través de una pared que soporta presión, el riesgo de fallo mecánico no es alto. Esto significa que el arranque es rápido en comparación y en la práctica la invención actual se puede iniciar mediante la aplicación de una tensión determinada y luego el sistema trabajará hacia un equilibrio térmico para alcanzar un estado estacionario sin ninguna intervención adicional del operador.
Se proporciona un proceso para calentar un gas de alimentación en un sistema de calentamiento como se describe en la presente memoria; dicho proceso comprende las etapas de:
- presurizar dicho gas de alimentación,
- suministrar dicho gas de alimentación presurizado al sistema de calentamiento,
- suministrar potencia eléctrica por medio de conductores eléctricos que conectan un suministro de potencia eléctrica colocada fuera de dicha carcasa de presión a dicho cuerpo estructurado, lo que permite que una corriente eléctrica circule por medio de dicho material conductor eléctricamente, de este modo se calienta por lo menos parte del cuerpo estructurado,
- calentar el gas de alimentación sobre el cuerpo estructurado y
- dar salida a un gas calentado desde el sistema de calentamiento.
Todos los detalles del sistema dados anteriormente son, siempre que sea posible, relevantes para el proceso descrito anteriormente.
En un aspecto, el gas de alimentación se presuriza a una presión entre 2 y 30 bar. El gas de alimentación puede presurizarse a una presión entre 30 y 200 bar. Convenientemente, por lo menos una parte del cuerpo estructurado se calienta a una temperatura de por lo menos 700 °C, preferiblemente de por lo menos 900 °C, y más preferiblemente de por lo menos 1000 °C. La temperatura máxima a la que se calienta el cuerpo estructurado es de aproximadamente 1400 °C.
El proceso puede comprender etapas posteriores llevadas a cabo en el gas del producto, tales como purificación, presurización, calentamiento adicional, enfriamiento, etc. para proporcionar el gas calentado final para una aplicación en una fase posterior del sistema de calentamiento de la presente invención.
Debe tenerse en cuenta que el gas de alimentación puede comprender gases de alimentación individuales y que la etapa de presurización del gas de alimentación puede comprender la presurización de gases de alimentación individuales individualmente. Además, debe tenerse en cuenta que el orden en que se escriben las etapas del proceso no es necesariamente el orden en que tienen lugar las etapas del proceso, ya que dos o más etapas pueden tener lugar simultáneamente, o el orden puede ser diferente al indicado anteriormente.
En una realización, el proceso comprende la etapa de presurizar el gas en una fase anterior de la carcasa de presión a una presión de hasta por lo menos 2 bar. La presión de funcionamiento elegida se define mediante la integración del calor en las etapas del proceso circundante.
En una realización del proceso según la invención, la temperatura del gas de alimentación que se introduce en el sistema de calentamiento se sitúa entre 100 °C y 700 °C, preferiblemente entre 100 °C y 300 °C. Sin embargo, en todas las realizaciones, la temperatura y la presión del gas de alimentación se ajustan para asegurar que este se encuentre por encima del punto de condensación.
Se proporciona un sistema de reactor para llevar a cabo una reacción endotérmica de un gas de alimentación, comprendiendo dicho sistema de reactor:
a) un cuerpo estructurado como se describe en la presente memoria;
b) una carcasa de presión que alberga dicho catalizador estructurado, comprendiendo dicha carcasa de presión una entrada para dejar entrar dicho gas de alimentación y una salida para dejar salir el gas de producto, en el que dicha entrada está ubicada de modo que dicho gas de alimentación entra en dicho cuerpo estructurado en un primer extremo y dicho gas de producto sale de dicho catalizador por un segundo extremo; y
c) una capa de aislamiento térmico entre dicho cuerpo estructurado y dicha carcasa de presión.
Debe entenderse que un experto en la materia reconocería fácilmente que cualquier característica descrita en combinación con el cuerpo estructurado que comprende un material catalíticamente activo también podría combinarse con el sistema de reactor para llevar a cabo una reacción endotérmica de un gas de alimentación, y viceversa.
El cuerpo estructurado que comprende un material catalíticamente activo como se describe anteriormente es muy adecuado para el sistema de reactor para llevar a cabo una reacción endotérmica de un gas de alimentación. Las observaciones expuestas anteriormente en relación con el cuerpo estructurado son por tanto igualmente aplicables en relación con el sistema del reactor.
La disposición del sistema del reactor permite introducir un gas de alimentación presurizado al sistema del reactor en una entrada y dirigir este gas hacia la carcasa de presión del sistema del reactor. En el interior de la carcasa de presión se dispone una configuración de capas de aislamiento térmico y material inerte para dirigir el gas de alimentación a través de los canales del cuerpo estructurado donde estará en contacto con el recubrimiento cerámico y el material catalíticamente activo que se sostiene sobre los recubrimientos cerámicos, donde el material catalíticamente activo facilitará la reacción endotérmica. Además, el calentamiento del cuerpo estructurado suministrará el calor necesario para la reacción endotérmica. El gas de producto del cuerpo estructurado se conduce a la salida del sistema del reactor.
Cuando la carcasa de presión comprende una entrada para dejar entrar gas de alimentación y una salida para dejar salir gas de producto, donde la entrada está ubicada de modo que el gas de alimentación entra en el cuerpo estructurado en un primer extremo del cuerpo estructurado y el gas de producto sale del cuerpo estructurado desde un segundo extremo del cuerpo estructurado, y cuando los por lo menos dos conductores están conectados al cuerpo estructurado en una posición del cuerpo estructurado más cercana a la entrada que a la salida, los por lo menos dos conductores se pueden colocar en la parte relativamente más fría del sistema del reactor. El primer extremo del cuerpo estructurado tiene una temperatura más baja que el segundo extremo del cuerpo estructurado debido a que:
- el gas de alimentación introducido a través de la entrada puede enfriar los por lo menos dos conductores antes de calentarse por el cuerpo estructurado a lo largo de la trayectoria del gas a través del cuerpo estructurado;
- la entrada de gas de alimentación en el primer extremo del cuerpo estructurado tendrá una temperatura más baja que el gas de producto que sale del segundo extremo del cuerpo estructurado, debido al calor suministrado al cuerpo estructurado eléctricamente.
- la naturaleza endotérmica de las reacciones absorbe calor de su entorno,
- el cuerpo estructurado está construido para dirigir una corriente eléctrica que circule desde un conductor sustancialmente hasta el segundo extremo del cuerpo estructurado y regresa a un segundo de los por lo menos dos conductores.
El perfil de temperatura en el cuerpo estructurado puede corresponder a una temperatura que aumenta de forma continua y sustancial a lo largo de la trayectoria del gas de alimentación a través del cuerpo estructurado.
Cuando el sistema de reactor de la invención se utiliza para facilitar la reacción de reformado con vapor, presenta varias ventajas sobre el reformador tubular encendido utilizado más tradicionalmente. El sistema de reactor de la invención no necesita un horno, lo que reduce considerablemente el tamaño global del reactor. Además, una ventaja es que la cantidad de gas de producto producido en una única carcasa de presión aumenta considerablemente en comparación con los reformadores de vapor tubulares conocidos. En un reformador de vapor tubular estándar, la cantidad de gas de producto producido en un solo tubo del reformador de vapor tubular es de hasta 500 Nm3/h. En comparación, el sistema de reactor de la invención está dispuesto para producir hasta 2000 Nm3/h o más, p. ej., incluso hasta o más de 10000 Nm3/h, dentro de una única carcasa de presión. Esto se puede hacer sin la presencia de O<2>en el gas de alimentación y con menos del 10 % de metano en el gas de síntesis producido. Cuando una sola carcasa de presión alberga un catalizador para producir hasta 10000 Nm3/h, o más, de gas de producto, ya no es necesario proporcionar una pluralidad de carcasas de presión o medios para distribuir gas de alimentación a una pluralidad de dichas carcasas de presión separadas.
Otra ventaja del sistema de reactor es que el flujo a través del cuerpo estructurado dentro del sistema de reactor puede ser ascendente, debido a que el cuerpo estructurado comprende una estructura macroscópica que sostiene un material catalíticamente activo. De forma alternativa, el flujo a través del cuerpo estructurado podría ser en dirección horizontal o en cualquier otra dirección apropiada. Esto es más difícil en el caso de que el reactor contiene pellets debido al riesgo de fluidización, molturación y expulsión de los pellets. De esta manera se puede evitar una cantidad sustancial de tuberías, lo que reduce los costes de la planta. Además, la posibilidad de flujo ascendente u horizontal aumenta la flexibilidad en el diseño de la planta.
Además, debe tenerse en cuenta que la expresión "los por lo menos dos conductores están conectados al cuerpo estructurado en una posición del cuerpo estructurado más cercana al primer extremo del cuerpo estructurado que al segundo extremo del catalizador estructurado" pretende indicar que ambos/todos los por lo menos dos conductores están conectados más cerca del primer extremo del cuerpo estructurado que del segundo extremo. Preferiblemente, los por lo menos dos conductores están conectados al primer extremo del cuerpo estructurado o dentro del cuarto de la longitud de la(una) estructura macroscópica más cercana al primer extremo.
Se proporciona el uso del cuerpo estructurado que comprende un material catalíticamente activo descrito anteriormente o el reactor descrito anteriormente, en el que la reacción endotérmica se selecciona del grupo que consiste en reformado de metano con vapor, formación de cianuro de hidrógeno, craqueo de metanol, craqueo de amoníaco, desplazamiento inverso del gas de agua y deshidrogenación.
El término "deshidrogenación" se refiere a la siguiente reacción:
Donde R1 y R2 pueden ser cualquier grupo apropiado en una molécula de hidrocarburo, tal como -H, - CH<3>, -CH<2>, o -CH.
En una realización, la reacción endotérmica es la deshidrogenación de hidrocarburos. El material catalíticamente activo puede ser Pt. La temperatura máxima del reactor puede estar entre 500 y 700 °C. La presión del gas de alimentación puede ser de 2 a 5 bares.
El término "desplazamiento del gas de agua" se refiere a las reacciones siguientes:
co H20 o c o 2 h2
En una realización, la reacción endotérmica es la reacción de desplazamiento inverso del gas de agua (la reacción inversa de desplazamiento del gas de agua). La temperatura máxima del reactor puede estar entre 600 y 1300 °C. La presión del gas de alimentación puede estar entre 2 y 80 bar, preferiblemente entre 10 y 40 bar. En una realización, dicha estructura macroscópica está hecha de una aleación de Fe Cr Al, que sostiene un recubrimiento cerámico de una mezcla de ZrO<2>y AhO3, con Mn como material catalíticamente activo. En otra realización, dicha estructura macroscópica está hecha de una aleación de Fe Cr Al, que sostiene un recubrimiento cerámico de una mezcla de ZrO<2>y MgAbO4, con Ni como material catalíticamente activo.
El término "craqueo de metano!" se refiere a las reacciones siguientes:
CH3OH O co 2H2
CH3OH H2O o C0 2 3H2( x )
Típicamente, la reacción de craqueo de metano! va acompañada de la reacción de desplazamiento del gas de agua.
En una realización, la reacción endotérmica es el craqueo de metanol. La temperatura máxima del reactor puede estar entre 200 y 300 °C. La presión del gas de alimentación puede ser de 2 a 30 bar, preferiblemente de unos 25 bar. En una realización, dicha estructura macroscópica está hecha de una aleación de Fe Cr Al, que sostiene un recubrimiento cerámico de una mezcla de ZrÜ<2>y Al2Ü3, con CuZn como material catalíticamente activo. En otra realización, dicha estructura macroscópica está hecha de una aleación de Fe Cr Al, que sostiene un recubrimiento cerámico de una mezcla de ZrÜ<2>y MgAl2Ü4, con Ni como material catalíticamente activo.
Además, el término "reformado con vapor" se refiere a una reacción de reformado según una o más de las reacciones siguientes:
<CH4>+<H20>o co<3H2>
CH4 4- 2H20 €> C02 4- 4H2
CH4 C02 o 2CO 2H2
Estas reacciones típicamente están acopladas también a la reacción de desplazamiento del gas de agua.
En una realización, la reacción endotérmica es el reformado con vapor de hidrocarburos. La temperatura máxima del reactor puede estar entre 850 y 1300 °C. La presión del gas de alimentación puede estar entre 5 y 180 bar, preferiblemente alrededor de 25 bar. El material catalíticamente activo puede ser Ni, Ru, Rh, Ir o una combinación de los mismos, mientras que el recubrimiento cerámico puede ser Al2Ü3, ZrÜ<2>, MgAl2Ü4, CaAl2Ü4, o una combinación de los mismos y potencialmente mezclado con óxidos tales como Y, Ti, La, o Ce. En una realización, dicha estructura macroscópica está hecha de una aleación de Fe Cr Al, que sostiene un recubrimiento cerámico de una mezcla de ZrÜ<2>y MgAl2Ü4, con níquel como material catalíticamente activo.
El término "craqueo de amoniaco" se refiere a las reacciones siguientes:
2NH3 o N2 3H2
En una realización, la reacción endotérmica es el craqueo de amoniaco. El material catalíticamente activo puede ser Fe o Ru. La temperatura máxima del reactor puede estar entre 400 y 700 °C. La presión del gas de alimentación puede ser de 2 a 30 bar, preferiblemente de unos 25 bar.
El término "síntesis de cianuro de hidrógeno" se refiere a las reacciones siguientes:
2 CH4 2 NH3 3 0 2 o 2 HCN 6 H20
CH4 NH3 o HCN 3H2
En una realización, la reacción endotérmica es la síntesis de cianuro de hidrógeno o un proceso de síntesis de nitrilos orgánicos. El material catalíticamente activo puede ser Pt, Co o SnCo. La temperatura máxima del reactor puede estar entre 700 y 1200 °C. La presión del gas de alimentación puede ser de 2 a 30 bar, preferiblemente de unos 5 bar.
En una realización, el sistema de reactor comprende además un lecho de un material catalizador, tal como pellets de catalizador, en una fase anterior del cuerpo estructurado dentro de la carcasa de presión. Aquí, la expresión "en una fase anterior" se ve desde la dirección del flujo del gas de alimentación. Así, la expresión "en una fase anterior" se utiliza aquí para indicar que el gas de alimentación se dirige a través del lecho de material catalizador antes de llegar al catalizador estructurado. Un lecho de este tipo de catalizador puede realizar un preacondicionamiento de la mezcla de alimentación, p. ej., mediante una reacción adiabática hacia un equilibrio térmico de una reacción química tal como un desplazamiento de agua a gas. De forma adicionalmente/alternativa, el lecho de un material catalizador se puede utilizar como protección para impedir la contaminación del cuerpo estructurado en una fase posterior por impurezas tales como azufre y/o cloro. No es necesario proporcionar un calentamiento específico al lecho de material catalizador; sin embargo, el lecho de material catalizador puede calentarse indirectamente si está en las proximidades del cuerpo estructurado.
En una realización, se coloca un lecho de material catalizador dentro de la carcasa de presión y en una fase posterior del cuerpo estructurado. Dicho material catalizador puede presentarse en forma de pellets, extrudidos o granulados de catalizador. Esto proporciona una situación en la que el cuarto material catalizador se puede disponer para reducir la aproximación al equilibrio del gas que sale del catalizador estructurado al realizar una equilibración pseudoadiabática de las reacciones relevantes.
Debe entenderse que un experto en la materia reconocería fácilmente que cualquier característica descrita en combinación con el cuerpo estructurado y el sistema de reactor para llevar a cabo una reacción endotérmica de un gas de alimentación es aplicable para este uso. Las observaciones expuestas anteriormente en relación con el cuerpo estructurado y el sistema del reactor son por tanto igualmente aplicables en relación con el uso de los mismos.
Descripción detallada de las Figuras
En todas las Figuras, los números de referencia iguales indican elementos iguales.
La Figura 1a muestra una sección transversal a través de una realización de un sistema 100 de calentamiento según la invención. El sistema 100 de calentamiento comprende un cuerpo 10 estructurado que comprende una primera y una segunda estructura 5A, 5B macroscópica (véase, por ej., la Fig. 1b). En la realización ilustrada, la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están dispuestas coaxialmente. El sistema 100 de calentamiento comprende además conductores 40, 40' conectados a una fuente de alimentación (no se muestra en las Figuras) y al cuerpo 10 estructurado, concretamente, las estructuras macroscópicas. Los conductores 40, 40' pasan a través de la pared de una carcasa 20 de presión que alberga el cuerpo estructurado y a través de material 30 aislante en el lado interior de la carcasa de presión, por medio de accesorios 50. Los conductores 40' están conectados al cuerpo 10 estructurado mediante rieles 41 de contacto de conductor.
En una realización, el suministro de potencia eléctrica suministra una tensión de 26 V y una corriente de 1200 A. En otra realización, el suministro de potencia eléctrica suministra una tensión de 5 V y una corriente de 240 A. La corriente se conduce a través de los conductores 40, 40' eléctricos hasta los rieles 41 de contacto de conductor, y la corriente circula a través del cuerpo 10 estructurado desde un riel 41 de contacto de conductor, p. ej., desde el riel de contacto de conductor que se ve a la izquierda en la Figura 1a, a través de la primera estructura 5A macroscópica desde el primer extremo hasta el segundo extremo, y a través de la segunda estructura 5B macroscópica desde el segundo extremo hasta el primer extremo y hasta el otro riel 41 de contacto de conductor, p. ej., el riel de contacto de conductor que se ve a la derecha en la Figura 1a. La corriente puede ser tanto corriente alterna, y p. ej., circular de manera alternada en ambas direcciones, o corriente continua y circular en cualquiera de las dos direcciones.
Las estructuras 5A, 5B macroscópicas están hechas de material conductor eléctricamente. Especialmente preferida es la aleación Kanthal, que consiste en aluminio, hierro y cromo. La primera y la segunda estructura macroscópica pueden sostener un recubrimiento cerámico, p. ej., un óxido, aplicado sobre el cuerpo 5 estructurado. Los conductores 40, 40' están fabricados en materiales como hierro, aluminio, níquel, cobre o aleaciones de los mismos.
Durante el funcionamiento, un gas de alimentación entra al sistema 100 de calentamiento desde arriba como se indica con la flecha 11. El gas calentado sale del sistema de calentamiento por la parte inferior del mismo como se indica con la flecha 12.
La Figura 1b muestra el sistema 100 de calentamiento de la Figura 1a con una parte de la carcasa 20 de presión y la capa de aislamiento 30 térmico eliminadas, y la Figura 2 es una vista ampliada de una parte del sistema 100 de calentamiento. Se puede observar que los conductores 40 se conducen a través de las paredes de la carcasa de presión en un accesorio 50.
En el sistema de calentamiento que se muestra en las Figuras 1a, 1b y 2, los conductores 40, 40' se conducen por medio de la pared de una carcasa 20 de presión que alberga el cuerpo estructurado y a través del material 30 aislante en el lado interior de la carcasa de presión, mediante accesorios 50. El gas de alimentación se introduce en el sistema 100 de calentamiento por medio de una entrada en el lado superior del sistema 100 de calentamiento, como se muestra con la flecha 11, y el gas calentado sale del sistema 100 de calentamiento por medio de una salida en la parte inferior del sistema 100 de calentamiento como se muestra con la flecha 12.
En el sistema 100 de calentamiento que se muestra en las Figuras 1a a 2, se puede disponer un material inerte (no se muestra en las Figuras 1a-2) entre el lado inferior del cuerpo 10 estructurado y la parte inferior de la carcasa de presión. Además, se puede disponer un material inerte entre los lados exteriores del cuerpo 10 estructurado que comprende una primera y una segunda estructura 5A, 5B macroscópica y el material 30 aislante. Así, un lado del material 30 aislante puede mirar hacia el lado interior de la carcasa 20 de presión y el otro lado del material 30 aislante puede mirar hacia el material inerte. El material inerte puede ser un material cerámico y presentarse en forma de pellets. El material inerte ayuda a controlar la caída de presión a través del sistema 100 de calentamiento y a controlar el flujo del gas a través del sistema 100 de calentamiento, de modo que el gas fluya sobre las superficies del cuerpo 10 estructurado.
Debe entenderse que la Fig. 1a, la Fig. 1b y la Fig. 2 pueden, como alternativa al sistema de calentamiento, ilustrar un sistema 100 de reactor. En la configuración alternativa, la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están recubiertas con un recubrimiento cerámico impregnado con material catalíticamente activo. Durante el funcionamiento, un gas de alimentación entra en el sistema 100 de reactor desde arriba como se indica con la flecha 11. Un gas de producto como alternativa al gas calentado sale del sistema del reactor por la parte inferior del mismo como se indica con la flecha 12.
Las Figs. 3 a 8 ilustran realizaciones de un cuerpo 10 estructurado que comprende una primera estructura 5A macroscópica y una segunda estructura 5B macroscópica. En las realizaciones ilustradas en las Figs. 3 a 7, la primera y la segunda estructura macroscópica están dispuestas coaxialmente.
En cada una de las Fig. 3 a 8, el cuerpo 10 estructurado comprende una primera estructura 5A macroscópica y una segunda estructura 5B macroscópica, cada una de las cuales se extiende en una dirección longitudinal desde un primer extremo 14 a un segundo extremo 15, donde el primer extremo 14 forma una entrada en la estructura macroscópica 10 para un gas de alimentación, y donde el segundo extremo 15 forma una salida para el gas calentado/producto.
La primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica comprenden una estructura 5 de red tridimensional (véase la Fig. 3), donde la estructura 5 de red forma trayectorias de flujo que permiten que el gas de alimentación fluya desde el primer extremo 14 al segundo extremo 15. Como se ilustra en la parte izquierda de la Fig. 3, por lo menos una parte de la estructura 5 de red forma una pluralidad de canales 60 de flujo paralelos. Sin embargo, debe entenderse que por lo menos algunos de los canales pueden no ser paralelos.
Los canales 60 de flujo solo se muestran en el lado izquierdo de la Fig. 3. En las partes restantes de las Figs.
3 a 8, se omiten las aberturas, tales como canales de flujo, recortes, hendiduras, etc., de la estructura 5 de red.
La segunda estructura 5B macroscópica está dispuesta circunferencialmente alrededor de la primera estructura 5A macroscópica, y la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están conectadas eléctricamente en el segundo extremo 15. El cuerpo 10 estructurado está configurado para dirigir una corriente eléctrica que circule a través de la primera estructura 5A macroscópica desde el primer extremo 14 al segundo extremo 15, luego a través de la segunda estructura 5B macroscópica desde el segundo extremo 15 al primer extremo 14 al conectar eléctricamente la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica en el segundo extremo 15.
En las realizaciones ilustradas, la segunda estructura 5B macroscópica es una estructura alargada que se extiende en la dirección longitudinal desde el primer extremo 14 hasta el segundo extremo 15. La segunda estructura 5B macroscópica es hueca y por lo tanto rodea completamente la primera estructura 5A macroscópica, con lo que una superficie interior de la segunda estructura 5B macroscópica mira hacia una superficie exterior de la primera estructura 5A macroscópica.
Se debe entender que la segunda estructura macroscópica en una realización alternativa (no ilustrada) puede estar dispuesta de manera parcialmente circunferencial alrededor de la primera estructura macroscópica, con lo que una parte de una superficie interior de la segunda mira hacia una parte de una superficie exterior de la primera estructura macroscópica.
La primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica pueden estar recubiertas con un recubrimiento cerámico que puede sostener un material catalíticamente activo.
En la Fig. 3, el cuerpo 10 estructurado comprende una primera estructura 5A macroscópica y una segunda estructura 5B macroscópica, cada una de las cuales se extiende en una dirección longitudinal desde un primer extremo 14 a un segundo extremo 15. La primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica forman, cada una, una forma exterior circular en una sección transversal perpendicular a la dirección longitudinal.
La Fig. 4 ilustra una sección transversal a través de la realización de un cuerpo 10 estructurado ilustrado en la Fig. 3. Los canales 60 de flujo se muestran claramente en la sección transversal de la izquierda. Es más, las secciones transversales ilustran claramente que la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están conectadas en el segundo extremo 15.
En la Fig. 5, el cuerpo 10 estructurado comprende una primera estructura 5A macroscópica y una segunda estructura 5B macroscópica, cada una de las cuales se extiende en una dirección longitudinal desde un primer extremo 14 a un segundo extremo 15. La primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica forman, cada una, una forma exterior cuadrada en una sección transversal perpendicular a la dirección longitudinal. En la sección transversal de la derecha, se ilustra claramente que la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están conectadas en el segundo extremo 15.
La Fig. 6 ilustra dos realizaciones diferentes de un cuerpo 10 estructurado, cada una de las cuales comprende una primera estructura 5A macroscópica y una segunda estructura 5B macroscópica que se extienden cada una en una dirección longitudinal desde un primer extremo 14 a un segundo extremo 15. La primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica a la izquierda forman, cada una, una forma exterior hexagonal en una sección transversal perpendicular a la dirección longitudinal, mientras que la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica a la derecha forman, cada una, una forma exterior triangular en una sección transversal perpendicular a la dirección longitudinal.
La Fig. 7 ilustra secciones transversales a través de las realizaciones de un cuerpo 10 estructurado ilustrado en la Fig. 6. Las secciones transversales ilustran claramente que la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están conectadas en el segundo extremo 15.
En la Fig. 8, el cuerpo 10 estructurado comprende una primera estructura 5A macroscópica y una segunda estructura 5B macroscópica, cada una de las cuales se extiende en una dirección longitudinal desde un primer extremo 14 a un segundo extremo 15. La primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica forman, cada una, una forma exterior orgánica en una sección transversal perpendicular a la dirección longitudinal. En la sección transversal de la derecha, se ilustra claramente que la primera y la segunda estructura 5A, 5B macroscópica están conectadas en el segundo extremo 15.

Claims (19)

REIVINDICACIONES
1. Un cuerpo (10) estructurado dispuesto para calentar un gas de alimentación, comprendiendo dicho cuerpo (10) estructurado una primera estructura (5A) macroscópica y una segunda estructura (5B) macroscópica, cada una extendiéndose longitudinalmente desde un primer extremo (14) hasta un segundo extremo (15), donde dicho primer extremo (14) forma una entrada de dicha primera y segunda estructura (5A, 5B) macroscópica para dicho gas de alimentación y dicho segundo extremo (15) forma una salida para el gas calentado, comprendiendo dicha primera y segunda estructura (5A, 5B) macroscópica una estructura (5) de red tridimensional, donde la estructura (5) de red forma trayectorias (60) de flujo que permiten que el gas de alimentación fluya desde dicho primer extremo (14) hasta dicho segundo extremo (15), estando formada la estructura (5) de red por un material metálico eléctricamente conductor,
en el que la primera y la segunda estructura (5A, 5B) macroscópica están conectadas eléctricamente en el segundo extremo (15), y el cuerpo (10) estructurado se caracteriza por que la segunda estructura (5B) macroscópica está dispuesta por lo menos parcialmente de forma circunferencial alrededor de la primera estructura (5A) macroscópica.
2. Un cuerpo (10) estructurado según la reivindicación 1, en el que la estructura (5) de red sostiene por lo menos parcialmente un recubrimiento cerámico.
3. Un cuerpo (10) estructurado según la reivindicación 2, en el que por lo menos una parte del recubrimiento cerámico sostiene un material catalíticamente activo.
4. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos una parte de la estructura (5) de red forma una pluralidad de canales (60) de flujo paralelos.
5. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos una de la primera y la segunda estructura (5A, 5B) macroscópica comprende una pared circunferencial que forma un espacio interno, estando formada la pared circunferencial de un material metálico que es eléctricamente conductor, y en el que la estructura (5) de red está dispuesta en el espacio interno.
6. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la segunda estructura (5B) macroscópica está dispuesta circunferencialmente alrededor de por lo menos el 50 %, tal como por lo menos el 60 %, tal como por lo menos el 70 %, tal como por lo menos el 80 %, tal como por lo menos el 90 %, tal como el 100 % de una superficie exterior de la primera estructura (5A) macroscópica.
7. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una o más estructuras macroscópicas adicionales, en el que cada estructura macroscópica adicional está dispuesta por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la estructura macroscópica dispuesta más cercana a la estructura macroscópica adicional en su lado interior, y en el que las estructuras macroscópicas vecinas están conectadas eléctricamente de forma alternada en el primer extremo (14) y en el segundo extremo (15).
8. Un cuerpo (10) estructurado según la reivindicación 7, que comprende una primera estructura macroscópica adicional, en el que la primera estructura macroscópica adicional está dispuesta por lo menos parcialmente de manera circunferencial alrededor de la segunda estructura (5B) macroscópica, y en el que la primera y la segunda estructura macroscópica adicional están conectadas eléctricamente en el primer extremo (14).
9. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que una superficie exterior de la primera estructura (5A) macroscópica coincide con una superficie interior de la segunda estructura (5B) macroscópica.
10. Un cuerpo (10) estructurado según la reivindicación 9, en el que la superficie exterior de la primera estructura (5A) macroscópica en una sección transversal a la dirección longitudinal es sustancialmente circular.
11. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la primera y la segunda estructura macroscópica están dispuestas de forma sustancialmente coaxial.
12. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además por lo menos un primer y un segundo conductor (40, 40') conectados eléctricamente a dicha primera y segunda estructura (5A, 5B) macroscópica, respectivamente, y a un suministro de potencia eléctrica, en el que dicho suministro de potencia eléctrica está dimensionado para calentar por lo menos parte de dicha primera y segunda estructura (5A, 5B) macroscópica a una temperatura de por lo menos 500 °C haciendo pasar una corriente eléctrica a través de dichas estructuras macroscópicas (5A, 5B), estando los conductores (40, 40') conectados en posiciones en la primera y la segunda estructura (5A, 5B) macroscópica más cercanas a dicho primer extremo (14) que a dicho segundo extremo (15), estando el cuerpo (10) estructurado configurado para dirigir una corriente eléctrica que circule desde el primer conductor (40, 40') a través de la primera estructura (5A) macroscópica hasta dicho segundo extremo (15), luego a través de la segunda estructura (5B) macroscópica hasta el segundo conductor (40, 40').
13. Un cuerpo (10) estructurado según la reivindicación 12, en el que la primera y la segunda estructura (5A, 5B) macroscópica comprenden, cada una, una sección de sujeción para permitir la sujeción del primer y el segundo conductor (40, 40'), respectivamente, en el que la sección de sujeción está impresa en 3D en una sola pieza con la primera y la segunda estructura (5A, 5B) macroscópica.
14. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que por lo menos una de la primera y la segunda estructura (5A, 5B) macroscópica comprende guías de flujo para asegurar la distribución del flujo, en el que las guías de flujo están impresas en 3D como una sola pieza con la por lo menos una estructura (5A, 5B) macroscópica.
15. Un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el material metálico es una aleación que comprende una o más sustancias seleccionadas del grupo que consiste en Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn y Si.
16. Un sistema (100) de calentamiento para calentar un gas de alimentación, comprendiendo dicho sistema (100) de calentamiento:
a) por lo menos un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15;
b) una carcasa (20) de presión que alberga dicho cuerpo (10) estructurado, comprendiendo dicha carcasa (20) de presión una entrada para dejar entrar dicho gas de alimentación y una salida para dejar salir el gas calentado, donde dicha entrada está ubicada de modo que dicho gas de alimentación entra en dicho cuerpo (10) estructurado en un primer extremo (14) y dicho gas calentado sale de dicho cuerpo por un segundo extremo (15); y
c) una capa (30) de aislamiento térmico entre dicho cuerpo (10) estructurado y dicha carcasa (20) de presión.
17. Un proceso para calentar un gas de alimentación en un sistema (100) de calentamiento según la reivindicación 16; comprendiendo dicho proceso las etapas de:
- presurizar dicho gas de alimentación,
- suministrar dicho gas de alimentación presurizado al sistema (100) de calentamiento,
- suministrar potencia eléctrica por medio de conductores (40, 40') eléctricos que conectan un suministro de potencia eléctrica colocado fuera de dicha carcasa (20) de presión a dicho cuerpo (10) estructurado, lo que permite que una corriente eléctrica circule a través de dicho material conductor eléctricamente, de este modo se calienta por lo menos parte del cuerpo (10) estructurado,
- calentar el gas de alimentación sobre el cuerpo (10) estructurado, y
- dar salida a un gas calentado desde el sistema (100) de calentamiento.
18. Un sistema de reactor para llevar a cabo una reacción endotérmica de un gas de alimentación, comprendiendo dicho sistema de reactor:
a) un cuerpo (10) estructurado según cualquiera de las reivindicaciones 3 a 15;
b) una carcasa (20) de presión que alberga dicho cuerpo (10) estructurado, comprendiendo dicha carcasa (20) de presión
una entrada para dejar entrar dicho gas de alimentación y una salida para dejar salir el gas de producto, en el que dicha entrada está ubicada de modo que dicho gas de alimentación entra en dicho cuerpo (10) estructurado en un primer extremo (14) y dicho gas de producto sale de dicho catalizador por un segundo extremo (15); y c) una capa (30) de aislamiento térmico entre dicho cuerpo (10) estructurado y dicha carcasa (20) de presión.
19. Uso del sistema de reactor según la reivindicación 18, en el que la reacción endotérmica se selecciona del grupo que consiste en reformado de metano con vapor, formación de cianuro de hidrógeno, craqueo de metanol, craqueo de amoníaco, desplazamiento inverso del gas de agua y deshidrogenación.
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