Способ получения газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода

Изобретение относится к автотермическому каталитическому реформингу с водяном паром углеводородного сырья и направлено на получение газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода. Способ получения газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода, включает реформинг с водяным паром углеводородного сырья при повышенных температурах пропусканием его через слой катализатора реформинга с водяным паром, в который подают кислород через проницаемую для кислорода мембрану, с последующим удалением конечного продукта из этого слоя. Причем углеводородное сырье пропускают через слой катализатора, во входной области которого содержится катализатор, имеющий пониженную активность или совсем не имеющий активности в реформинге с водяным паром, и имеющий активность в окислении углеводородного сырья. Изобретение позволяет улучшить характеристики процесса путем контроля градиента температуры в реакторе. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к автотермическому каталитическому реформингу с водяным паром углеводородного сырья. В частности, изобретение направлено на способ получения газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода.

Известен способ получения газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода, который состоит в том, что углеводородное сырье подвергают реформингу с водяным паром при повышенных температурах пропусканием через слой катализатора реформинга с водяным паром, в который подают кислород через мембрану, проницаемую для кислорода, с последующим удалением конечного продукта из этого слоя (смотри международную заявку на патент WO 98/48921, В 01 D 53/22, С 01 В 3/34, 09.04.1998).

Получение газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода, например синтез-газа, может быть представлено следующими тремя реакциями:

СН₄+Н₂О⇔ СО+3Н₂

СН₄+1/2О₂⇔СО+2Н₂

СО+Н₂О⇔ СО₂+Н₂

На входе вышеуказанного процесса температура газа обычно лежит между 500 и 800° С. Давление мембраны со стороны синтез-газа варьируют от атмосферного до 90 бар, а давление со стороны газа, содержащего кислород, - от атмосферного до 26 бар.

Реакции реформинга с водяным паром метана и конверсии обычно близки к равновесию на выходе реактора.

Целью настоящего изобретения является улучшить характеристики процесса путем контроля градиента температуры в реакторе.

Эта цель достигается предложенным способом получения газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода, который состоит в том, что углеводородное сырье подвергают реформингу с водяным паром при повышенных температурах пропусканием через слой катализатора реформинга с водяным паром, в который подают кислород через мембрану, проницаемую для кислорода, с последующим удалением конечного продукта из этого слоя, причем способ характеризуется тем, что углеводородное сырье пропускают через слой катализатора, во входной области которого содержится катализатор, имеющий пониженную активность или совсем не имеющий активности в реформинге с водяным паром и имеющий активность в окислении углеводородного сырья.

В качестве слоя катализатора может быть использован фиксированный слой или слой, нанесенный на мембрану.

Способ, согласно настоящему изобретению, далее объясняется со ссылкой на чертеж, показывающий схематически реактор для проведения автотермического каталитического реформинга с водяным паром углеводородного сырья с использованием мембраны.

Сырье 1, содержащее углеводороды, например метан, вводят в реактор 2 со стороны проницания 3 мембраны 4. Отделение на этой стороне мембраны 4 загружают катализатором реформинга с водяным паром и/или катализатором частичного окисления 5. У входа сырья активность катализатора в верхней части слоя 6 понижена по сравнению с активностью катализатора в остальной части слоя катализатора. Вместо того, чтобы быть зафиксированным, катализатор может также быть непосредственно нанесен на сторону проницания 3 мембраны 4 (не показано).

Поток, содержащий кислород, 7, например воздух, входит в реактор с противоположной стороны мембраны 4. Подходящие материалы мембраны со способностью к транспорту кислорода известны специалистам. В случае, когда ионы кислорода являются подвижными частицами, электроны движутся через мембрану в противоположном направлении, таким образом обеспечивая электронейтральность. Поток кислорода зависит главным образом от разницы парциальных давлений кислорода.

В случае, когда катализатор не имеет активности в реформинге с водяным паром в верхней части слоя 6, катализатор служит в качестве катализатора окисления.

Способ, согласно настоящему изобретению, имеет следующие преимущества:

- механический дизайн реактора становится менее сложным;

- эксплуатация при пониженной температуре на входе сырья и окислителя становится осуществимой, что приводит к пониженной площади теплообменника и более низкому потреблению топлива;

- требуемая площадь мембраны становится меньше.

Катализаторы для окисления водорода или углеводородов известны специалистам. Катализаторы реформинга с водяным паром с пониженной активностью в реформинге могут быть получены импрегнированием материала носителя пониженными количествами каталитического материала и/или добавлением промотирующих соединений, понижающих активность каталитически активного материала. Такие методы получения катализаторов и катализаторы с пониженной активностью в реформинге с водяным паром также известны специалистам.

В качестве следующего преимущества катализатор с пониженной активностью дает возможность эксплуатации без образования сажи при низком отношении водяного пара к углероду путем добавления промоторов к катализатору, чтобы повысить устойчивость к саже, и понижения активности этого катализатора в реформинге с водяным паром.

При эксплуатации установки каталитического автотермического реформинга с водяным паром с подачей кислорода через мембрану равновесная температура реформинга с водяным паром подаваемого газа ниже температуры на входе подаваемого газа в обычном реакторе. Реакция реформинга с водяным паром протекает при этом немедленно, как только подаваемый газ приходит в контакт с катализатором. Так как реакция реформинга с водяным паром сильно эндотермична, будет наблюдаться понижение температуры газа и катализатора по сравнению с температурой на входе газа.

Поток кислорода через мембрану возрастает с повышением температуры, и ниже определенной температуры (Т₀) поток кислорода практически равен нулю.

Следовательно, будет обеспечен пониженный поток кислорода через мембрану на единицу площади в реакторе с катализаторами, имеющими высокую активность в реформинге с водяным паром. Это имеет одно из двух следствий:

а) Температура в реакторе падает до уровня, ниже которого поток кислорода через мембрану становится ничтожно мал. Единственным средством избежать этого является повышение температуры на входе газа.

б) Поток кислорода понижается по сравнению с потоком кислорода при температуре подаваемого газа.

Посредством предлагаемого способа работы на катализаторе с пониженной или нулевой активностью части катализатора у входа реактора в реформинге с водяным паром, понижение температуры устраняют или делают намного менее выраженным. Следовательно, температура может быть либо понижена до уровня, близкого к Т₀, либо площадь мембраны может быть уменьшена, поскольку кислород переносится через мембрану при более высокой (средней) температуре.

1. Способ получения газа, обогащенного водородом и/или оксидом углерода, путем реформинга с водяным паром углеводородного сырья при повышенных температурах пропусканием через слой катализатора реформинга с водяным паром, в который подают кислород через проницаемую для кислорода мембрану, с последующим удалением конечного продукта из этого слоя, отличающийся тем, что углеводородное сырье пропускают через слой катализатора, во входной области которого содержится катализатор, имеющий пониженную активность или совсем не имеющий активности в реформинге с водяным паром и имеющий активность в окислении углеводородного сырья.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоя катализатора используют фиксированный слой.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют слой катализатора, нанесенный на мембрану.