用于甲烷和其他烃的重整的电加热重整反应器制造技术

公开了电加热重整反应器和相关的重整工艺，该电加热重整反应器和相关的重整工艺在获得和控制热量输入到催化转化工艺方面，诸如在使用H2O和/或CO2作为氧化剂的烃(例如，甲烷)的重整中受益于许多优点。所公开的反应器提供了将热量靶向输入到催化剂床体积内的特定区域的能力。这允许在一个或多个维度(例如，轴向和/或径向)上控制温度分布和/或以其他方式调整用于处理特定重整器进料的热量输入，实现特定重整器产物，有效利用催化剂和/或补偿多个操作参数(例如，流动分布)。热量输入的动态控制可以用于响应进料或产物组成和/或催化剂活性的变化。性的变化。性的变化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于甲烷和其他烃的重整的电加热重整反应器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年10月30日提交的美国临时申请第63/107,537号的优先权，该临时申请通过引用以其整体并入本文。


[0003]本专利技术的各方面涉及重整反应器，该重整反应器在建立和管理输入到此类反应器内的催化剂床的热量方面具有操作灵活性，以及在不同位置处理重整器进料的紧凑性和可运输性，优选不生成伴随常规重整反应器炉中燃烧的CO2。

技术介绍

[0004]为生产烃燃料而不断寻找原油的替代品，越来越受到一些因素的驱动。这些包括减少的石油储量、更高的预期能量需求，以及对来自不可再生碳源的温室气体(GHG)排放的高度关注。鉴于其在天然气储量中以及在从生物源(生物气)获得的气体流中的丰度，甲烷已经成为用于提供液态烃的许多可能途径的焦点。用于将甲烷转化成燃料的关键商业工艺涉及第一转化步骤以产生合成气，接着是第二下游费
‑
托(FT)合成步骤。在该第二步骤中，使含有氢气(H2)和一氧化碳(CO)的混合物的合成气经历C
–
O键的连续裂解和伴随氢气的并入的C
–
C键的形成。该机理提供了烃，并且特别是直链烷烃的形成，其中可以通过改变FT反应条件和催化剂特性在一定程度上控制分子量分布。另外，FT合成可以在已知操作参数下用于生产含氧化合物，并且特别是低级醇，诸如甲醇。
[0005]除了用作液态烃和/或含氧化合物的前体之外，还需要合成气作为氢源，特别是在精炼工业中。例如，氢气需求已经增加，同时越来越强调通过消耗氢气的过程满足清洁燃料的需求，诸如加氢脱硫。
[0006]关于上述第一转化步骤，用于由甲烷生产合成气的已知工艺包括部分氧化重整和自热重整(ATR)，基于甲烷与氧气的放热氧化。相反，蒸汽甲烷重整(SMR)使用蒸汽作为氧化剂，使得热力学显著不同，不仅因为蒸汽本身的产生可能需要能量投入，而且因为涉及甲烷和水的反应是吸热的。最近，还提出了使用二氧化碳(CO2)作为甲烷的氧化剂，使得期望的合成气通过使处于其最氧化形式的碳与处于其最还原形式的碳反应而形成，根据：
[0007]CH4+CO2→
2CO+2H2。
[0008]该反应被称为甲烷“干重整”，并且因为它是高度吸热的，所以与ATR或甚至SMR相比，甲烷干重整的热力学不太有利。然而，每摩尔甲烷消耗1摩尔二氧化碳的化学计量具有降低液体燃料生产的总碳足迹的潜力，提供甲烷的“更绿色”消耗。在重整高级烃(例如，C2‑
C6链烷烃)的情况下，每摩尔进料的这种CO2消耗速率增加。在任何情况下，热屏障仍然是主要的挑战并且涉及CO2被完全氧化并且非常稳定的事实，使得其作为氧化剂的活化需要显著的能量。
[0009]使用H2O和/或CO2作为氧化剂重整甲烷和其他烃以产生合成气的已知工艺因此可能需要高达1000℃(1832℉)的温度。此类温度通常在围绕填充有重整催化剂的多个竖直对
齐的管的燃烧炉中实现。另外进料到平行管中的一部分烃，作为还包括氧化剂的气态重整器进料，被用作所需燃烧热的来源，并且以该容量，在炉中与氧气一起燃烧。然而，这种燃气加热需要大且复杂的系统基础设施来安装和支持。这些限制可能尤其不适用于较小规模的重整操作，在较小规模的重整操作中，简单且紧凑的反应器设计将具有更大的价值且为实用所期望的。根据US 3,147,080；US 2016/0288074；和US 2017/0101312，现有技术已经提出了使用电来加热重整反应器的填充有催化剂的管，以便与辐射燃烧热结合向催化剂提供所需热量的一部分。根据WO 2019/228796和WO 2019/228797，导电材料涂覆有负载催化活性材料的陶瓷涂层。然而，仍然需要提供有效建立和管理进入催化剂床的热量输入的设备及其在高温转化工艺诸如重整中的用途。

技术实现思路

[0010]本专利技术的各方面与电加热反应器和相关的重整工艺的发现相关，该电加热反应器和相关的重整工艺在获得和控制热量输入到催化转化工艺方面，诸如在使用H2O和/或CO2作为氧化剂的烃(例如，甲烷)的重整中受益于许多优点。通过电阻或感应加热，电可以用于快速且有效地升高催化剂床的温度，例如从催化剂装载后的环境温度升高至超过500℃(932℉)、700℃(1292℉)或甚至850℃(1562℉)的反应温度。其他优点在于具有将热量靶向输入到催化剂床体积内的特定区域的能力，以实现许多处理目的。这些包括在一个或多个维度(例如，轴向和/或径向)上控制温度分布和/或以其他方式调整用于处理特定重整器进料的热量输入，实现特定重整器产物，有效利用催化剂和/或补偿多个操作参数(例如，流动分布)。热量输入的动态控制可以用于响应进料或产物组成和/或催化剂活性的变化。
[0011]其他优点在于能够放弃常规的反应器炉和相关设备(例如，燃烧器)，以及消除来自燃料燃烧的CO2排放。在可再生电(例如，从太阳或风能获得)可用于生成热量的情况下，与重整/合成气生产相关的碳足迹可以进一步减少或甚至消除。与需要燃气炉的那些相比，根据所公开的电加热重整反应器的增加的简单性还可以实现其他优点，使得本专利技术的反应器可以是紧凑的并且甚至是可运输的(例如，撬装的)。这允许根据一些实施例的反应器和可能的其他相关设备(例如，下游费
‑
托合成反应器)被输送到它们被有效利用的地方，包括烃源诸如天然气(例如，井口气)可用的地点。此类来源通常是“搁浅的”，这意味着它们无法获得合适的设施来转化成增值产物，并且因此通常是燃烧的(燃烧的)。本文所描述的工艺可以有效地货币化这种另外不可用的甲烷和其他烃源。
[0012]本专利技术的特定实施例涉及一种电加热重整反应器，其包括限定内部空间的外壳，该内部空间包括用于容纳催化剂的催化剂床体积。重整反应器还可以包括多个加热元件，该加热元件部分或完全延伸通过催化剂床体积并且被配置成用于加热催化剂床体积内的分开的区域。在其他实施例中，重整反应器还可以包括至少一个加热元件，该至少一个加热元件单向地延伸通过催化剂床体积并且被配置成用于加热催化剂床体积。其他具体实施例涉及重整工艺，例如使用本文所描述的电加热重整反应器生产合成气产物的工艺。代表性工艺可以包括使包括(i)烃和(ii)H2O和/或CO2的重整器进料与安置在电加热重整反应器的催化剂床体积中的催化剂接触，其中多个加热元件部分或完全延伸通过催化剂床体积，并且因此部分或完全通过催化剂床本身。该工艺还可以包括使不同的加热元件，诸如安置在不同径向位置的加热元件和/或安置在不同轴向位置的加热元件提供对催化剂的不同的加
热速率。在重整器进料与催化剂接触之后，产生合成气产物，将其从催化剂床和反应器中取出。
[0013]根据其他具体实施例，加热元件可以是不包含或包围催化剂颗粒或催化剂床体积内的其他任何空白空间的实心线或棒的形式。在一些实施例中，加热元件可以在结构上与催化剂不同，这意味着催化剂没有被涂覆或以其他方式附着到加热元件上。在一些实施例中，加热元件可以是与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电加热重整反应器，包括限定内部空间的外壳，所述内部空间包括用于容纳催化剂的催化剂床体积，所述重整反应器还包括多个加热元件，所述多个加热元件部分地或完全地延伸通过所述催化剂床体积，并且被配置成用于加热所述催化剂床体积内的分开的区域。2.根据权利要求1所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件是电阻加热元件或感应加热元件。3.根据权利要求1或权利要求2所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件包括一个或多个单独可控的加热元件或一个或多个单独可控的加热元件组。4.根据前述权利要求中任一项所述的电加热重整反应器，还包括重整器进料入口和重整器产物出口，所述重整器进料入口和重整器产物出口被配置成用于使气态反应混合物在总体流动方向上从所述催化剂床体积的入口端流动到出口端，其中所述多个加热元件在所述总体流动方向上在从所述入口端到所述出口端的长度的至少一部分上单向地延伸，或其中所述多个加热元件在与所述总体流动方向不同的方向上单向地延伸。5.根据权利要求4所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件在所述催化剂床体积的宽度的至少一部分上单向地延伸。6.根据前述权利要求中任一项所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件相对于所述内部空间的圆柱形部分轴向延伸，并且以规则或不规则的间隔径向间隔开。7.根据前述权利要求中任一项所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件相对于所述内部空间的圆柱形部分径向延伸，并且以规则或不规则的间隔轴向间隔开。8.根据权利要求7所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件以不规则的间隔间隔开，并且进一步其中更靠近所述催化剂床体积的一端的间隔相对于更靠近所述催化剂床体积的相对端的间隔更小。9.根据前述权利要求中任一项所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件为电阻或感应线或棒的形式。10.根据前述权利要求中任一项所述的电加热重整反应器，其中所述多个加热元件为板的形式。11.根据前述权利要求中任一项所述的电加热重整反应...

【专利技术属性】
技术研发人员：特里，
申请(专利权)人：美国燃气技术研究院，
类型：发明
国别省市：