整合的燃烧器和进行同步吸热和放热反应的方法技术

本发明专利技术提供了整合的燃烧反应器（ICR）和制造ICR的方法，其中燃烧室（或通道）直接与用于吸热反应的反应室热接触。本发明专利技术也描述了具体的反应器设计。本发明专利技术提供了在整合的燃烧反应器中进行反应的方法以及得到的结果。一些方法的特征是具有意外的和较好的结果，和/或这些结果不能用现有的设备得到。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了整合的燃烧反应器（ICR）和制造ICR的方法，其中燃烧室（或通道）直接与用于吸热反应的反应室热接触。本专利技术也描述了具体的反应器设计。本专利技术提供了在整合的燃烧反应器中进行反应的方法以及得到的结果。一些方法的特征是具有意外的和较好的结果，和/或这些结果不能用现有的设备得到。【专利说明】本专利技术专利申请是国际申请号为PCT/US2003/022490，国际申请日为2003年8月4日，进入中国国家阶段的申请号为03823737.7，名称为“”的专利技术专利申请的分案申请。其他申请可通过参照2002年8月15日提交的美国专利申请10/220604、10/219990和10/219956进一步理解本专利技术，其全部内容参考结合于此。
技术介绍
目前，在微反应器中进行的吸热反应是由外部热源(例如由外部燃烧器提供的流体)提供的热量驱动的。在这种情况下，提供热量的气流的温度就会受到结构体所用材料的限制。例如，由Inconel25构成的典型微反应器应限于使用温度为?1050°C或更低的气体。实际上，这意味着由外部燃烧器提供的流体必须用冷的气体(即过量空气)稀释，以使所述气体的温度下降，以满足该材料的温度限制。这就提高了气体总流量，增加了鼓风机/压缩机的成本。而且，从外部加热气流会造成热量损失(发生在热气体输送到所述微反应器的过程中)，以及需要将燃烧器连接到微反应器的昂贵耐高温材料。另一方面，整合的燃烧器可为接近反应区的反应提供热量，因此可降低热量损失并提高效率。由于常规燃烧催化剂在高温条件下(高于?1200°C)是不稳定的，这是因为贵金属会烧结，因此，整合的燃烧器必须以足够大的速率除去热量，该速率足以使催化剂表面的局部温度保持低于催化剂快速失活的水平而避免风险。专利技术概述在整合的反应器中，燃烧/生成热量应在接近所述吸热反应的区域发生。优选地，在与进行吸热反应的微通道交叉的微通道中进行放热反应。优选是吸热反应流体和放热反应流体的共流体。但是，也可以是交叉流体或逆流体。放热反应产生的热量从放热反应传导到吸热反应催化剂上，在那里进行吸热反应。优选地，在所述整合的反应器中，放热反应通道和/或吸热反应通道是微通道，即直径至少为2毫米(mm)或更小的通道。使用最小直径大于2毫米的通道可能是无效的，因为热量和质量传递的限制就会被放大。整合的燃烧器可使用反应器微通道的大表面积，以除去生成的热量，这样使微反应器组件不超过材料的温度限制，同时燃烧时仅需要比使用外部燃烧器时所需的过量空气(稀释剂)少得多的过量空气。一方面，本专利技术提供了一种在整合的燃烧反应器中进行吸热反应的方法，它包括:将放热反应混合物通入至少一个放热反应室中，将燃料和氧化剂通入至少一个吸热反应室中(其中所述燃料和氧化剂都在所述燃烧室中具有50ms或更少的接触时间，所述放热反应室包括至少一个放热反应室壁，所述放热反应室壁与至少一个吸热反应室相邻，所述吸热反应室包括至少与至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻)，以及将热量以下述速率的一种或多种:至少0.6ff/cc的燃烧室体积，或至少lW/cm2 (以所述吸热反应室的内表面积计)，从至少一个放热反应室传递到至少一个吸热反应室。所述热通量可基于单个放热反应室或多室设备中的多反应室进行测量。这样，这两种情况都包含在本专利技术的范围内。在本专利技术方法和设备的各种优选实施方式中，所述放热反应室体积具有小于2毫米，较佳小于1.5毫米，有些实施方式中，小于I毫米的一个内尺寸；基于反应室的体积热通量大于10W/cc,更优选大于lOOW/cc,还要更优选大于500W/cc。在放热和/或吸热反应室中的接触时间优选小于500ms，更优选为IOOms或更少，还要更优选50ms或更少，更优选25ms或更少,还要优选IOms或更少。面积热通量(相对于各个反应室的面积)优选为lW/cm2或更大,优选5W/cm2或更大,更优选10W/cm2或更大,还要更优选20W/cm2或更大。在另一方面，本专利技术提供了 一种在整合燃烧器中进行流体重整(streamreforming)的方法,它包括:步骤a)将流体和烃送入至少一个吸热反应室中，其中所述流体与碳之比小于3:1，且通过所述吸热反应室的压力降小于900psig (6000kPa)，步骤b)将燃料和氧化剂通入至少一个放热反应室中，其中所述燃料和氧化剂在所述燃烧室中都具有IOOms或更少的接触时间，其中所述放热反应室包括至少一个放热反应室壁，所述反应室壁与至少一个吸热反应室相邻，所述吸热反应室包括至少与至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻，步骤c)将所述流体和烃转变成CO和H2,这样所述至少一个放热反应室有一个显示烃的转化率至少为50%，且CO的选择性至少为50%的输出；同时并且连续的进行步骤a、b和c至少100小时，使压力降提高2psi。流体和碳之比的其他优选水平为小于2.5:1、2:1和1.5:1。在另一个实施方式中，设备的特征是，操作100或500小时,然后断开(cut open),以释放(reveal)出小于0.1克焦炭每千克处理的甲烷燃料。在另一方面，本专利技术提供了一种在整合的燃烧器中进行同步放热和吸热反应的方法，它包括:将吸热反应组合物送入至少一个吸热反应室中，将燃料和氧化剂送入至少一个放热反应室中，其中所述燃料和氧化剂在所述燃烧室中都具有IOOrns或更少的接触时间，所述氧化剂的用量为完全氧化燃料所需氧化剂量基础上过量50%或更少，将所述燃料和空气转变成产物；并将所述产物输出整合的燃烧器，其中CO小于2500ppm ;所述放热反应室包括至少一个放热反应室壁，所述反应室壁与至少一个吸热反应室相邻，所述吸热反应室包括至少与所述至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻。代替CO低含量的是，或者除了 CO低含量的是，当氧化剂是空气时，所述产物含有小于IOOppm的N0X。过量氧化剂的含量是总的过量，换句话说，转化率不包括任何随后的处理步骤，在这些处理步骤中，在处理室(例如，催化转变器)中加入了其他氧化齐U。NOx的其他含量包括:小于IOOppm,小于50ppm, 20ppm或更小，IOppm或更小，5ppm或更小。本专利技术还提供了整合的燃烧器，它包括:至少一个放热反应微通道；所述放热反应微通道包括至少一个放热反应微通道壁，所述微通道壁与至少一个吸热反应微通道相邻，所述吸热反应微通道包括至少与至少一个吸热反应微通道壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应微通道壁与至少一个放热反应微通道相邻；而且所述整合燃烧器在使用所述热通量试验进行测试时具有一个或多个优选的性质。本专利技术也提供了一种分层的整合燃烧器，它包括:具有第一体积的外部放热反应层；与所述外部放热反应层相邻的第一燃烧器层，它位于所述外部放热层和内部吸热反应层之间；具有第二体积的内部吸热反应层，它位于所述第一燃烧器层和第二燃烧器层之间；所述第二燃烧器层与所述内部吸热反应层相邻分布；所述第一体积比所述第二体积小20 — 80%。更优选地，所述第一体积比所述第二体积小45 — 55%。该ICR的一个非限制性实例是所述的结合的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同时进行放热反应和吸热反应的方法，所述方法包括：将燃料输入第一微通道燃烧反应室；将氧化剂加入到燃烧室中使得氧化剂氧化燃料，且燃烧室中的温度沿所述燃烧室的前部到后部上升；在吸热反应室中提供吸热反应组合物，所述吸热反应室与所述燃烧室相邻，其中吸热反应室和燃烧室由导热壁分隔；其中所述吸热反应组合物进行吸热反应形成产物；所述燃烧室中的温度从燃烧室的前部到后部基本上单调上升。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D·裘，M·B·施米特，S·T·佩里，S·P·费茨杰拉尔德，D·J·赫西，N·P·加诺，R·Q·龙，W·A·罗杰斯，R·阿罗拉，T·D·尤斯查克，T·福特，J·A·莫那汉，R·杰特，W·W·西蒙斯，B·L·杨，D·J·库尔曼，Y·王，R·J·卢森斯基，G·B·查德威尔，Y·彭，J·A·马西亚斯，A·L·同克维齐，G·罗伯茨，P·W·尼格尔，
申请(专利权)人：维罗西股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US