Система и способ регулирования температуры в реакторе на основе кислородпроводящих мембран

Система и способ регулирования температуры в реакторе на основе кислородпроводящих мембран

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявление о правах государства

[0001] Изобретение было осуществлено при поддержке Правительства США в соответствии с Соглашением о сотрудничестве № DE-FC26-07NT43088, предоставленным Министерством энергетики США. Правительство США обладает определенными правами на это изобретение.

Область техники, к которой относится изобретение

[0002] Настоящее изобретение предлагает систему и способ регулирования температуры в реакторе риформинга на основе кислородпроводящих мембран, выполненного с возможностью получения синтез-газа из содержащего углеводороды газообразного сырья. В частности, настоящее изобретение предлагает способ и устройство для поддержания в целом стабильных значений температуры поверхностей элементов из кислородпроводящих мембран и связанных с ними реакторов риформинга путем введения заданного количества охлаждающего воздуха или регулировочного воздуха между ступенями в многоступенчатом реакторе или печи для риформинга на основе кислородпроводящих мембран.

Уровень техники

[0003] Синтез-газ, содержащий водород и угарный газ, получают для множества применений в промышленности, например, для получения водорода, получения химикатов и синтетического топлива. Обычно синтез-газ получают в риформере с огневым нагревом, в котором природный газ и пар подвергаются риформингу в трубах риформера, содержащих никелевый катализатор, при высоких температурах (например, от 900°C до 1000°C) и умеренных значениях давления (например, от 1,6 до 2,0 МПа) для получения синтез-газа. Требуемый нагрев для компенсации эндотермического эффекта реакции парового риформинга метана, протекающей внутри труб риформера, обеспечивается горелками, создающими пламя внутри печи, которые сжигают часть природного газа. Для увеличения содержания водорода в синтез-газе, полученном в процессе парового риформинга метана (SMR), синтез-газ можно подвергнуть реакциям сдвига водяного газа для обеспечения реакции остаточного пара в синтез-газе с угарным газом.

[0004] Общепринятой альтернативой паровому риформингу метана является способ парциального окисления (POx), посредством которого ограниченному количеству кислорода дают гореть с питательным природным газом с образованием пара и углекислого газа с высокими значениями температуры, и высокотемпературные пар и углекислый газ подвергаются последующим реакциям риформинга. Ключевым недостатком как способа SMR, так и способа POx, является значительное количество углерода, выбрасываемого в атмосферу в виде газообразного углекислого газа в топочном газе низкого давления. Кроме того, установлено, что получение синтез-газа посредством обычных способов SMR или POx представляет собой относительно дорогостоящие процессы.

[0005] Привлекательным альтернативным способом получения синтез-газа является способ с применением обогреваемого с использованием кислорода автотермического риформера (ATR), в котором используется кислород для парциального окисления природного газа в реакторе, что позволяет удерживать почти весь углерод в синтез-газе высокого давления, таким образом, облегчая удаление углекислого газа для улавливания углерода. Однако способ ATR требует наличия отдельной воздухоразделительной установки (ASU) для получения высокочистого кислорода высокого давления, что увеличивает сложность, а также капитальные и эксплуатационные расходы для способа в целом.

[0006] Как можно понять, обычные способы получения синтез-газа, такие как системы SMR, POx или ATR, являются дорогостоящими и требуют наличия сложных установок. Чтобы обойти проблемы, связанные со сложностью и высокой стоимостью таких установок, было предложено производить синтез-газ внутри реакторов, в которых используются кислородпроводящие мембраны, чтобы подавать кислород и таким образом вырабатывать тепло, необходимое для поддержания требуемого нагрева для компенсации эндотермического эффекта реакции парового риформинга метана. Типичная кислородпроводящая мембрана имеет плотный слой, который, являясь непроницаемым для воздуха или другого содержащего кислород газа, будет обеспечивать перенос ионов кислорода при воздействии повышенной рабочей температуры и различия парциальных давлений кислорода по разные стороны мембраны.

[0007] Примеры реакторов риформинга на основе кислородпроводящих мембран, используемых для получения синтез-газа, могут быть найдены в патентных документах US6048472; US6110979; US6114400; US6296686; US7261751; US8262755; и US8419827. Проблема, связанная со всеми указанными системами на основе кислородпроводящих мембран, заключается в том, что поскольку необходимо, чтобы такие кислородпроводящие мембраны работали при высоких температурах приблизительно от 900°C до 1100°C, часто требуется предварительный нагрев углеводородного сырья до аналогичных высоких температур. В тех случаях, когда углеводороды, такие как метан и углеводороды более высокого порядка, подвергаются воздействию таких высоких температур, в питательном потоке будет происходить повышенное образование сажи, особенно при высоких давлениях и низких значениях отношения пара к углероду. Проблемы образования сажи являются особенно серьезными в вышеуказанных системах на основе кислородпроводящих мембран предшествующего уровня техники. Другой подход к использованию реактора риформинга на основе кислородпроводящих мембран при получении синтез-газа раскрыт в патентных документах US8349214 и US2013/0009102, при этом в обоих документах раскрывается система риформинга на основе реактивных кислородпроводящих мембран, в которой используется водород и угарный газ в качестве составляющих питательного газообразного реагента, что решает многие отмеченные проблемы, относящиеся к более ранним системам с кислородпроводящей мембраной. Другие проблемы, которые возникают в отношении систем риформинга на основе кислородпроводящих мембран предшествующего уровня техники, представляют собой затраты и сложность модулей из кислородпроводящих мембран, а также тепловую связь, срок службы, надежность и эксплуатационную готовность ниже желаемого уровня для таких систем риформинга на основе кислородпроводящих мембран. Эти проблемы являются главной причиной того, что системы риформинга на основе кислородпроводящих мембран не были успешно коммерциализированы. Последние достижения в области материалов кислородпроводящих мембран решили проблемы, связанные с удельной производительностью по кислороду, постепенным ухудшением свойств мембраны и долговечностью при ползучести, но осталось еще немало работы, которую необходимо проделать, чтобы обеспечить коммерчески целесообразные системы риформинга на основе кислородпроводящих мембран с точки зрения стоимости, а также с точки зрения эксплуатационной надежности и готовности.

[0008] Технологические схемы, в которых используются находящиеся в тепловой связи отдельные реактор из кислородпроводящих мембран и реактор каталитического риформинга, имеют свой особенный набор проблем. Например, кислородпроводящие мембраны могут быть выполнены с возможностью выполнения нескольких задач, таких как выделение кислорода из воздуха, реакция прошедшего через мембрану кислорода с потоком реагента для получения потока реагента, содержащего водяной пар, требуемая для поддержания эндотермических реакций в реакторе каталитического риформинга, и передача тепла для обеспечения протекания эндотермических реакций в реакторе каталитического риформинга, чтобы достигнуть желаемой производительности по синтез-газу. Тепло для поддержания эндотермических реакций внутри каталитических реакторов главным образом обеспечивается передачей излучением тепла, выделившегося в результате сгорания прошедшего через мембрану кислорода в реакторе, содержащем кислородпроводящую мембрану. При повышенных температурах кислородпроводящие мембраны подвергаются значительным механическим напряжениям как в процессе нормальной работы в установившемся режиме, так и в процессах работы в неустановившемся режиме, таких как пуск, остановка, а также сбой технологического режима, особенно при наносящих ущерб степенях нарушения режима, когда значения температуры или скорость изменения температуры могут выходить за рамки диапазонов допустимых значений. Таким образом, неэффективная передача образующегося при экзотермической реакции тепла, выделяющегося в реакторах с кислородпроводящими мембранами, реакторам каталитического риформинга приведет к менее эффективной эксплуатации, более высоким капитальным затратам и более сложной системе.

[0009] Таким образом, продолжает существовать потребность в системе получения синтез-газа или другом реакторе на основе кислородпроводящих мембран, который имеет высокий тепловой коэффициент полезного действия. Настоящее изобретение решает вышеуказанные проблемы путем обеспечения способа и системы регулирования температуры воздуха в реакторе на основе кислородпроводящих мембран для поддержания в целом стабильных значений температуры поверхностей элементов из кислородпроводящих мембран и связанных с ними реакторов путем введения заданного количества охлаждающего воздуха или регулировочного воздуха между ступенями в многоступенчатом реакторе на основе кислородпроводящих мембран.

Раскрытие изобретения

[00010] Настоящее изобретение в одном или более аспектах может быть охарактеризовано как способ регулирования температуры воздуха в многоступенчатом реакторе на основе реактивных кислородпроводящих мембран, содержащий стадии: (i) введения нагретого кислородсодержащего питательного потока в многоступенчатый реактор на основе реактивных кислородпроводящих мембран, при этом нагретый кислородсодержащий питательный поток имеет температуру от приблизительно 800°C до приблизительно 1000°C; (ii) пропускания нагретого кислородсодержащего питательного потока по поверхностям множества элементов из кислородпроводящих мембран в первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, при этом часть кислорода извлекается из нагретого кислородсодержащего питательного потока с получением первого остаточного потока с температурой, соответствующей или превышающей температуру нагретого кислородсодержащего питательного потока; (iii) введения потока дополнительного охлаждающего воздуха в первый остаточный поток в реакторе на основе кислородпроводящих мембран; (iv) смешивания потока дополнительного охлаждающего воздуха с первым остаточным потоком в многоступенчатом реакторе на основе кислородпроводящих мембран с получением смешанного потока, имеющего температуру смешанного потока; (v) пропускания смешанного потока по поверхностям второго множества элементов из кислородпроводящих мембран во второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, при этом часть кислорода извлекается из смешанного потока с получением второго остаточного потока с температурой, как правило, превышающей температуру смешанного потока; и (vi) выпуска потока, содержащего часть или весь второй остаточный поток, из многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где температура нагретого кислородсодержащего питательного потока и температура смешанного потока отличаются друг от друга в пределах приблизительно 25°C.

[00011] Изобретение также может быть охарактеризовано как многоступенчатый реактор на основе реактивных кислородпроводящих мембран, содержащий: (a) воздушный впуск, выполненный с возможностью приема нагретого кислородсодержащего питательного потока с температурой от приблизительно 800°C до приблизительно 1000°C; (b) первое множество элементов из кислородпроводящих мембран, содержащихся в первой ступени многоступенчатого реактора и в сообщении по текучей среде с нагретым кислородсодержащим питательным потоком и выполненных с возможностью выделения кислорода из нагретого кислородсодержащего питательного потока посредством переноса ионов кислорода при воздействии повышенной рабочей температуры и обусловленного протеканием реакции различия парциальных давлений кислорода по разные стороны первого множества элементов из кислородпроводящих мембран с получением обедненного по кислороду первого остаточного потока с температурой, превышающей температуру нагретого кислородсодержащего питательного потока; (c) по меньшей мере, один инжектор охлаждающего воздуха, расположенный в реакторе на основе кислородпроводящих мембран ниже по потоку относительно первой ступени и выполненный с возможностью введения потока дополнительного охлаждающего воздуха в первый остаточный поток и получения смешанного потока, имеющего температуру смешанного потока; (d) второе множество элементов из кислородпроводящих мембран, содержащихся во второй ступени многоступенчатого реактора и расположенное ниже по потоку относительно первой ступени, при этом второе множество элементов из кислородпроводящих мембран в сообщении по текучей среде со смешанным потоком и выполнено с возможностью выделения кислорода из смешанного потока посредством переноса ионов кислорода при воздействии повышенной рабочей температуры и обусловленного протеканием реакции различия парциальных давлений кислорода по разные стороны второго множества элементов из кислородпроводящих мембран с получением обедненного по кислороду второго остаточного потока с температурой, превышающей температуру нагретого кислородсодержащего питательного потока; и (e) выпуск, размещенный ниже по потоку относительно второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и выполненный с возможностью выпуска потока, содержащего часть или весь обедненный по кислороду второй остаточный поток, из многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где температура первого остаточного потока и температура второго остаточного потока отличаются друг от друга в пределах приблизительно 25°C.

[00012] Настоящее изобретение может также быть охарактеризовано как способ регулирования температуры в многоступенчатом реакторе на основе реактивных кислородпроводящих мембран, содержащий стадии: (i) введения нагретый кислородсодержащий питательный поток в многоступенчатый реактор на основе реактивных кислородпроводящих мембран, при этом нагретый кислородсодержащий питательный поток имеет температуру от приблизительно 800°C до приблизительно 1000°C; (ii) пропускания нагретого кислородсодержащего питательного потока по поверхностям множества элементов из кислородпроводящих мембран в первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где часть кислорода извлекается из нагретого кислородсодержащего питательного потока с получением первого остаточного потока с температурой, соответствующей или превышающей температуру нагретого кислородсодержащего питательного потока; (iii) пропускания первого остаточного потока через первую жаропрочную воздухораспределительную решетку, расположенную вблизи дальнего конца первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и выполненную с возможностью поддержания рабочей температуры в первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и обеспечения прохождения через нее первого остаточного потока; (iv) пропускания первого остаточного потока по поверхностям второго множества элементов из кислородпроводящих мембран во второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где часть кислорода дополнительно извлекается из первого остаточного потока с получением второго остаточного потока; (v) пропускания второго остаточного потока через вторую жаропрочную воздухораспределительную решетку, расположенную вблизи дальнего конца второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и выполненную с возможностью поддержания рабочей температуры во второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и обеспечения прохождения через нее второго остаточного потока; и (vi) выпуска потока, содержащего часть или весь второй остаточный поток, из многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где рабочая температура в первой ступени и рабочая температура во второй ступени отличаются друг от друга в пределах приблизительно 25°C.

[00013] В соответствии с другим вариантом изобретение может быть охарактеризовано как способ регулирования температуры в многоступенчатом реакторе на основе реактивных кислородпроводящих мембран, содержащий стадии: (i) введения нагретый кислородсодержащий питательный поток в многоступенчатый реактор на основе реактивных кислородпроводящих мембран, при этом нагретый кислородсодержащий питательный поток имеет температуру от приблизительно 800°C до приблизительно 1000°C; (ii) прохождения нагретого кислородсодержащего питательного потока по поверхностям множества элементов из кислородпроводящих мембран в первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где часть кислорода извлекается из нагретого кислородсодержащего питательного потока с получением первого остаточного потока с температурой, соответствующей или превышающей температуру нагретого кислородсодержащего питательного потока; (iii) прохождения первого остаточного потока через первую жаропрочную воздухораспределительную решетку, расположенную вблизи дальнего конца первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и выполненную с возможностью поддержания рабочей температуры в первой ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и обеспечения прохождения через нее первого остаточного потока; (iv) введения потока дополнительного охлаждающего воздуха в первый остаточный поток на участке, находящемся ниже по потоку относительно первой жаропрочной воздухораспределительной решетки в многоступенчатом реакторе на основе кислородпроводящих мембран; (v) смешивания потока дополнительного охлаждающего воздуха с первым остаточным потоком с получением смешанного потока, имеющего температуру смешанного потока; (vi) пропускания смешанного потока по поверхностям второго множества элементов из кислородпроводящих мембран во второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где часть кислорода извлекается из смешанного потока с получением второго остаточного потока с температурой, превышающей температуру смешанного потока; (vii) пропускания второго остаточного потока через вторую жаропрочную воздухораспределительную решетку, расположенную вблизи дальнего конца второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и выполненную с возможностью поддержания рабочей температуры во второй ступени многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, и обеспечения прохождения через нее второго остаточного потока; и (viii) выпуска потока, содержащего часть или весь второй остаточный поток, из многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, где рабочая температура в первой ступени и рабочая температура во второй ступени отличаются друг от друга в пределах приблизительно 25°C.

[00014] В некоторых вариантах осуществления многоступенчатый реактор на основе реактивных кислородпроводящих мембран, представляет собой реактор риформинга на основе реактивных кислородпроводящих мембран. В других вариантах осуществления многоступенчатый реактор на основе реактивных кислородпроводящих мембран, представляет собой парогенератор с реактивными кислородпроводящими мембранами, или нагреватель технологического газа на основе реактивных кислородпроводящих мембран.

[00015] В некоторых вариантах осуществления добавление дополнительного охлаждающего воздуха осуществляется на более чем одном участке в пределах многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, включая, например расположенный выше по потоку относительно первой ступени, между первой ступенью и второй ступенью, между второй и третьей ступенями, между любыми последовательно расположенными ступенями, или даже расположенный ниже по потоку относительно последней ступени перед выпуском.

[00016] В различных вариантах осуществления заявленных в настоящем изобретении систем и способов регулирования температуры воздуха и управления тепловым режимом для многоступенчатого реактора на основе реактивных кислородпроводящих мембран, могут быть также успешно достигнуты путем поддержания температуры первого остаточного потока и температуры второго остаточного потока таким образом, чтобы они отличались друг от друга в пределах приблизительно 25°C. В соответствии с другим вариантом добавление или примешивание дополнительного охлаждающего воздуха позволяет поддерживать температуры выпускаемого потока, первого остаточного потока и/или второго остаточного потока на уровне значений, превышающих значения температур нагретого кислородсодержащего питательного потока и/или смешанного потока не более чем на 50°C.

Краткое описание чертежей

[00017] Вышеуказанный и другие аспекты, отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из последующего более подробного его описания, представленного вместе со следующими чертежами, в которых:

[00018] На фиг. 1 показано схематическое изображение варианта осуществления настоящей системы с кислородпроводящими мембранами;

[00019] На фиг. 2 показано схематическое изображение другого варианта осуществления настоящей системы с кислородпроводящими мембранами;

[00020] Фиг. 3A-3D представляют собой схематические изображения четырех альтернативных вариантов осуществления технологии кислородпроводящих мембран и конфигураций реактора;

[00021] Фиг. 4 представляет собой схематические изображения соединенных труб из кислородпроводящих мембран или повторяющихся узлов из кислородпроводящих мембран;

[00022] Фиг. 5 представляет собой схематическое изображение другого варианта осуществления повторяющийся узлов из кислородпроводящих мембран, в которых соединено множество труб из кислородпроводящих мембран;

[00023] Фиг. 6 представляет собой схематическое изображение трубы для каталитического риформинга или повторяющегося узла;

[00024] Фиг. 7 представляет собой схематическое изображение панели из кислородпроводящих мембран;

[00025] Фиг. 8 представляет собой схематическое изображение панели для каталитического риформинга;

[00026] Фиг. 9 представляет собой схематическое изображение модуля, состоящего из двух панелей;

[00027] Фиг. 10 представляет собой схематическое изображение множества плотно упакованных или состыкованных модулей, состоящих из двух панелей;

[00028] Фиг. 11 представляет собой изометрическую проекцию с пространственным разделением деталей компоновки реакторного блока с кислородпроводящими мембранами;

[00029] Фиг. 12 представляет собой изометрическую проекцию с пространственным разделением деталей компоновки реакторного блока с кислородпроводящими мембранами и соответствующего сегмента печи со средством ступенчатой подачи воздуха;

[00030] Фиг. 13 и 14 представляют собой схематическое изображение печной линии;

[00031] Фиг. 15 представляет собой схематическое изображение множества печных агрегатов в системе крупномасштабного производства синтез-газа;

[00032] Фиг. 16 представляет собой диаграмму, на которой показана зависимость выбранных переменных, относящихся к регулированию температуры воздуха, от показателя извлечения кислорода в отдельном скомпонованном блоке, включая: (i) количество подаваемого охлаждающего воздуха на один блок в виде процентной доли от суммарного расхода воздуха; (ii) суммарная доля холодного воздуха в виде процентной доли от суммарного расхода воздуха; (iii) конечный суммарный показатель извлеченного кислорода при прохождении через всю печную линию с пятью блоками; и (iv) повышение температуры воздуха в каждом блоке для пятиблочной печной линии с кислородпроводящими мембранами;

[00033] Фиг. 17 представляет собой диаграмму, на которой показано повышение температуры воздушного потока на входе и выходе для пяти скомпонованных реакторных блоков для риформинга на основе кислородпроводящих мембран, последовательно размещенных в печной линии с кислородпроводящими мембранами, а также концентрация кислорода в воздушном потоке на входе и выходе для каждого скомпонованного блока для исходного варианта без решения задачи регулирования температуры воздуха;

[00034] Фиг. 18 представляет собой диаграмму, на которой показано повышение температуры воздушного потока на входе и выходе для каждого из пяти скомпонованных реакторных блоков для риформинга на основе кислородпроводящих мембран, последовательно размещенных в печной линии с кислородпроводящими мембранами, а также концентрация кислорода в воздушном потоке на входе и выходе для каждого скомпонованного блока для стандартного решения задачи регулирования температуры воздуха;

[00035] Фиг. 19 представляет собой диаграмму, на которой показано повышение температуры воздушного потока на входе и выходе для каждого из пяти скомпонованных реакторных блоков для риформинга на основе кислородпроводящих мембран, последовательно размещенных в печной линии с кислородпроводящими мембранами, а также концентрация кислорода в воздушном потоке на входе и выходе для каждого скомпонованного блока для решения задачи регулирования температуры воздуха в соответствии с настоящим изобретением;

[00036] Фиг. 20 представляет собой схематическое изображение парогенератора на основе кислородпроводящих мембран или нагреватель технологического газа на основе кислородпроводящих мембран; и

[00037] Фиг. 21 представляет собой схематическое изображение интегрированного модуля из двух панелей или набора панелей для парогенератора на основе кислородпроводящих мембран или нагревателя технологического газа на основе кислородпроводящих мембран.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

[00038] В общих чертах настоящее изобретение может быть охарактеризовано как улучшенный реактор риформинга для получения синтез-газа на основе кислородпроводящих мембран. Улучшенный реактор и система обеспечивают улучшенную тепловую связь между трубами из кислородпроводящих мембран и содержащими катализатор трубами для риформинга, а также улучшенную производственную технологичность, ремонтную технологичность и пригодность к эксплуатации по сравнению с раскрытыми ранее системами и реакторами риформинга на основе кислородпроводящих мембран. В другом варианте осуществления улучшенные реактор и система представляют собой парогенератор или нагреватель технологического газа с кислородпроводящими мембранами, который обеспечивает улучшенную тепловую связь между трубами из кислородпроводящих мембран и трубами для пара или трубами для нагревания технологического газа. Каждый из этих вариантов осуществления обсуждается в приведенных ниже разделах.

Система риформинга на основе реактивных кислородпроводящих мембран

[00039] В целях описания общего принципа работы реактора и системы риформинга на основе реактивных кислородпроводящих мембран, на фиг. 1 и фиг. 3A показаны схематические изображения системы, а также базовой технологии кислородпроводящие мембраны и конфигурации реактора. Как видно из указанных чертежей, кислородсодержащий поток 110, такой как воздух, вводится в систему 100 посредством воздуходувки или вентилятора 114 в теплообменник 113 для предварительного нагрева кислородсодержащего потока 110. Теплообменник 113 предпочтительно представляет собой циклический или непрерывно вращающийся регенератор с высоким коэффициентом полезного действия, размещенный таким образом, чтобы иметь рабочую связь с кислородсодержащим потоком 110 и нагретым потоком 124 ретентата. Нагретый и обедненный по кислороду поток 124 ретентата необязательно может вводиться в область канальной горелки, содержащую канальную горелку 126, и использоваться для поддержания горения дополнительного топливного потока 128, чтобы получать дополнительное тепло, которое вводится в непрерывно вращающийся регенератор 113 для предварительного нагрева кислородсодержащего потока 110. Выходящий из теплообменника 113 поток 132 выпускается.

[00040] Затем нагретый кислородсодержащий поток 115 направляется через впускной канал к элементам 120 из кислородпроводящих мембран, содержащимся в реакторе 101 риформинга на основе кислородпроводящих мембран. Каждый элемент 120 из кислородпроводящих мембран предпочтительно спроектирован в виде многослойной керамической трубы, способной пропускать ионы кислорода при повышенной рабочей температуре, где сторона ретентата элементов 120 из кислородпроводящих мембран является внешней поверхностью керамических труб, контактирующей с кислородсодержащим потоком, а сторона пермеата является внутренней поверхностью керамических труб. Хотя в непосредственной близости от трех труб 140 для каталитического риформинга изображены только шесть элементов 120 из кислородпроводящих мембран, как будет понятно специалистам в данной области, в каждом блоке с кислородпроводящими мембранами может присутствовать множество таких элементов из кислородпроводящих мембран и множество труб для каталитического риформинга. Аналогичным образом может присутствовать множество блоков с кислородпроводящими мембранами, используемое при промышленном применении реактора 101 риформинга на основе кислородпроводящих мембран. Кроме того, поток охлаждающего воздуха 119 или регулировочного воздуха можно вводить и смешивать с нагретым воздушным потоком 115 с тем, чтобы обеспечить регулирование температуры воздуха в реакторе 101 риформинга на основе кислородпроводящих мембран, особенно в таких областях применения, где множество реакторов расположены последовательно в печи с кислородпроводящими мембранами, как описано более подробно ниже.

[00041] Также на сторону пермеата элементов 120 из кислородпроводящих мембран вводится водородсодержащий поток и окисляется посредством реакции с проникшим кислородом с получением потока 198 продукта реакции и тепла. Водородсодержащий поток предпочтительно представляет собой подвергнутую рециркуляции часть полученного синтез-газа 163. В результате отделения кислорода и реакции (то есть горения), протекающей на стороне пермеата элементов 120 из кислородпроводящих мембран, также образуется нагретый обедненный по кислороду остаточный поток 124.

[00042] Водородсодержащий поток предпочтительно представляет собой часть нагретого потока синтез-газа, выходящего из труб для каталитического риформинга. Часть нагретого синтез-газа, предпочтительно от 25% до 50%, подвергается рециркуляции на сторону пермеата труб 120 из кислородпроводящих мембран для реакции с кислородным потоком пермеата с образованием нагретого потока продукта реакции и теплового излучения. Температура подвергнутого рециркуляции горячего синтез-газа предпочтительно превышает 816°С, чтобы избежать проблем, связанных с металлическим запыливанием.

[00043] Поток 162 горячего синтез-газа продвигается или всасывается на сторону пермеата труб или элементов 120 из кислородпроводящих мембран посредством эжектора, эдуктора или устройства 199, работающего за счет эффекта Вентури, функционально связанного со стороной пермеата элементов 120 из кислородпроводящих мембран. За счет отсасывания потоков на стороне пермеата элементов 120 из кислородпроводящих мембран в эжектор, эдуктор или устройство 199, работающее за счет эффекта Вентури, с использованием рабочей текучей среды, содержащей подвергнутый предриформингу поток 195 подаваемой в риформер смеси, поток 198 продукта реакции смешивается с подвергнутым предриформингу подаваемым в риформер потоком 195 с получением объединенного питательного потока 200, предпочтительно имеющей показатель отношения пара к углероду в диапазоне приблизительно от 1,6 до 3,0 и температуру приблизительно от 538 до 760°С. По существу устройство 199 переносит поток 162 рецикла горячего синтез-газа с более низким давлением в объединенный питательный поток 200 с более высоким давлением.

[00044] Реакция водородсодержащоего потока или подвергнутого рециркуляции потока 163 синтез-газа на стороне пермеата элемента 120 из кислородпроводящих мембран вырабатывает тепло. Передача этого тепла излучением совместно с конвективной теплопередачей, обеспечиваемой за счет нагретого потока 124 ретентата, способствует нагреванию труб 140 каталитического реактора с обеспечением требуемого нагревания для компенсации эндотермического эффекта реакции парового риформинга метана, протекающей в трубах 140 каталитического реактора. По мере того, как нагретый поток 124 ретентата выходит из реактора 101 риформинга на основе кислородпроводящих мембран, он также нагревает поток 138 подаваемой в риформер смеси до температуры приблизительно от 482 до 649°С посредством косвенной теплопередачи с использованием одного или более змеевиков 191, расположенных в канале ретентата, таким образом, чтобы обедненный по кислороду поток 124 ретентата нагревал питательные потоки, проходящие через змеевики 191. Также следует обратить внимание на то, что любой перегретый пар, не добавленный или не используемый для обработки питательного потока 182 природного газа, может являться отводимым из системы паром 181, который можно использовать для выработки электроэнергии.

[00045] Подлежащий риформингу углеводородсодержащий питательный поток 182 предпочтительно является природным газом. В зависимости от давления подачи природный газ сжимают или понижают его давление до желаемого значения давления посредством компрессора или клапанного механизма (не показаны) и затем предварительно подогревают в теплообменнике 150, который служит в качестве предварительного нагревателя топлива. Также поскольку природный газ, как правило, содержит неприемлемо высокую концентрацию соединений серы, питательный поток 182 природного газа подвергают процессу удаления серы, такому как гидроочистка, посредством устройства 190 для восстановления соединений серы до H₂S, который впоследствии удаляется в защитном слое с использованием таких веществ как ZnO и/или CuO. На стадии гидроочистки также происходит насыщение всех алкенов, присутствующих в углеводородсодержащем питательном потоке. Кроме того, поскольку природный газ, как правило, содержит углеводороды более высокого порядка, которые разрушаются при высоких температурах с образованием нежелательных отложений сажи, которые неблагоприятно воздействуют на процесс риформинга, питательный поток 182 природного газа предпочтительно подверается предриформингу в адиабатическом реакторе предриформинга 192, в котором углеводороды более высокого порядка превращаются в метан, водород, угарный газ и углекислый газ. Реакторы предриформинга, как правило, представляют собой системы на основе катализатора. Несмотря на то, что это не показано, указанный подвергнутый предриформингу подаваемый в риформер поток 195 можно дополнительно нагреть путем косвенного теплообмена с нагретым потоком 124 ретентата. Также предусмотрен, но не показан, вариант осуществления, в котором реактор предриформинга может включать реактор предриформинга с подогревом, который имеет тепловую связь с нагретым потоком 124 ретентата.

[00046] В показанной системе вышеописанный нагретый поток 198 продукта реакции объединяется с нагретым подвергнутым предриформингу подаваемым в риформер потоком 195 с получением объединенного питательного потока 200, который содержит пар и углеводороды. Этот объединенный питательный поток вводится в трубы 140 каталитического реактора, где объединенный питательный поток 200 подвергается