专利名称：制备氢的装置和方法
技术领域：
01本发明总体上涉及制氩领域。本发明的装置和方法通过选择吸附
从含有氢和一种或多种杂质的中间重整产品中清除杂质来制备氢。选择吸 附可以在压力摆动吸附单元中进行，其中，吸附阶段被控制和调节成获得 更高的产品纯度。更具体地说，本发明涉及压力摆动吸附单元与燃料处理 单元的结合和操作来制备氢。
背景技术：
02氢广泛应用于各种产业中，从航天到食品制造再到油气制造和提 炼。氢在这些产业中用作燃烧反应的推进剂、环境气体、栽气、稀释气、 燃烧反应的燃料成份、燃料电池的燃料，以及许多化学反应和过程的还原 剂。此外，氢也被看成发电的代用燃料，因为，它是可再生的、充足的、 高效的，而且，不像其它代用品，它是零排放的，虽然氢的消耗甚至巨大 潜能很普遍，但是抑制氢消费进一步增加的缺陷是不能提供氢的产生、贮 存和广泛分布的J^设施。
03克服这种困难的一种方法是，通过氢的分布式制备，例如通过使 用燃料处理器，将烃基燃料转化成富氢重整产品。燃料重整过程，例如， 蒸汽重整、部分氧化和自热重整，可以用于在需要氢的场合将烃基燃料， 例如天然气、LPG、汽油和柴油，转化成富氢重整产品。然而，除了所需 的氢产物以外，燃料重整装置通常会产生不需要的杂质，从而降低了重整 产品的价值。例如，在常规的蒸汽重整过程中，烃原料，例如甲烷、天然 气、丙烷、汽油、石脑油或柴油，进4于汽化，与蒸汽混合，并且流过蒸汽 重整催化剂。大部分烃原料都转化成氢的重整混合物和杂质，例如一氧化 碳和二氧化碳。为了减少一氧化碳成分，重整产品通常^水煤气变M 应，其中， 一氧化碳与蒸汽反应生成二氧化碳和氢。变换反应之后，可以 利用其它的净化步骤将氢的纯度达到一个可接受的等级。这些净化步骤可
包括，但不局限于，曱烷化作用、选择性氧化反应、薄膜分离技术，以及 例如温度摆动和/或压力摆动吸附过程中的选择吸附。图5是本发明的方法的框图。 H20 + CO — H2 + C02 (IV) 通常，进行水煤气变换反应的温度是在150"C到600'C之间变化，这取决于 催化剂。在这种情况下，气流中的大量一氧化碳转化成二氧化碳。在富氢 重整产品用作燃料电池的燃料时， 一氧化碳的浓度需要低到燃料电池催化 剂所容许的级别， 一般低于约50ppm。水煤气变换^^应催化剂的例子，低 温和高温催化剂，在燃料重整技术中是众所周知的，本文不作详细阐述。
29块F代表冷却步骤，可以在惰性级或其它方式中进行，以将工艺 流的温度降低到优选为在约卯C到约1501C的范围内的温度。当在冷却步 骤F之后接着选择或优选氧化步骤时，可以将空气子系统中的空气加入工 艺流中。
301 块G代表可选的选择或优选氧化步骤，其中，工艺流中残留的大 量一氧化碳转化成二氧化碳。尽管氧化反应是在没有具有氧化一氧化碳的 活性的催化剂的情况下进行的，但一般会发生两种反应，也就是， 一氧化 碳的必要氧化反应(式V )和氢的不必要氧化反应(式VI)。
H2 + V202 — H20 (VI) 尽管这两个反应都放热并且因为一氧化碳的优选氧化得益于低温，氧化反 应区可选地包括冷却元件例如冷却管是有利的。氧化反应温度优选为保持 在约卯1C到约1501C的范围内。因为本发明的装置包括净化单元，例如压 力摆动吸附单元来将氢和杂质分开，所以可以省去使用选择氧化步骤G。
33此处应当注意，燃料处理器生成的中间重整产品是富含氢的但不 能包含一种或多种杂质，于是，必须受到净化或提纯以清除或减少杂质到 一个特别低的级别。取决于所使用的净化技术的特点，中间重整产品的压 力需要在输送到净化单元之前得到提高。因此，本发明的装置可选地在燃 料处理器的下游设置压缩单元以接收中间重整产品流并且生成中间重整产 品压缩流。在一些实施例中，例如，当净化单元排出的富氢重整产品在高
压下需要前往储存器时，可选地在净化单元和储存单元之间设置第二压缩 单元以将富氢重整产品的压力提高到一个合适的级别。 在一些实施例中，净化单元包括压力摆动吸附单元。合适的PSA 单元包括现有技术中已知的从工艺流中分出氢的那些，例如在1980年12 月9日发布的Perry的美国专利4,238,204、 1987年9月1日发布的Doshi 的美国专利4,690,695、 1993年10月26日发布的Kai等的美国专利 5,256,174、 1995年7月25日发布的Anand等的美国专利5,435,836、 1997 年9月23日发布的Couche的美国专利5,669,960、 1998年5月19日发布 的Sircar等的美国专利5,753,010和2002年10月29日发布的Hill的美国 专利6，471，744中描述的，这些描述并入此文作为参考。在一些实施例中， 净化单元包括紧凑式PSA。合适的紧凑式PSA包括旋转式PSA，例如在 2000年5月16日发布的Keefer等的美国专利6,063,161、 2002年6月18 日发布的Connor等的美国专利6，406，523中描述的，这些描述并入此文作 为参考。具有旋转元件的紧凑式PSA通常可用加拿大伯纳比Questair工 程公司的Questair的旋转式PSA，型号H3200用在本发明的开发中。 本发明的装置可选地包括位于净化单元下游的产物阀用，于控制 来自净化单元的富氢重整产品流和/或贫氢重整产品流。在一些实施例中， 产物阀是可变开度阀。控制器响应于中间重整产品计算流来操纵产物阀。 当在净化单元下游设置产物传感器来检测富氢重整产品和/或贫氢重整产 品时，至少部分地响应于检测到的产物数据来操纵产物阀。对流出净化单 元的富氢重整产品的控制可用于在净化单元中产生背压以保持净化单元内 更稳定或固定的压力。而且，这种控制也能对流过净化单元的重整产品的 流速进行控制以保持富氩重整产品的成分。
601 本发明的装置可选地包括位于净化单元下游的储存单元，以储存 富氢重整产品。可选地包括压缩单元以生成富氢重整产品压缩流，取决于 所选择的特定储存单元的压力规格进行储存。而且，可以包括能够向第二 压缩单元的入口提供补给流体控制流的第二管道。该第二管道优选为具有 位于第二压缩单元和储存单元之间的入口 、具有用来控制通过管道的补给 流体的阀、并且具有位于净化单元出口和第二压缩单元入口之间的出口 。
61! 适用于本发明装置的储存单元可以从现有技术中已知的储氢装 置中选取。优选地，储氢装置将包括适于以所需形式，包括但不局限于压 缩气体状、液化气体状或固态，容纳富氢重整产品的储存罐。合适的储存 罐可以是轻便的、模块化的、装于滑动底板上或固定在一个位置上的。而 且，选择的储存单元优选为具有足够的储存量，从而在燃料处理器不运转 的过程中和/或燃料处理器生成的重整产品的体积需要得到补充以满足需 求时的峰值阶段中，使单元能够以选定速度将储存的重整产品输送到出口 处。 如上所述，燃料处理器的处理模块用于确定中间重整产品计算 流。中间重整产品计算流包括燃料处理器即将生成的中间重整产品的流速 和成分。而且，可以从输送给燃料处理器的供给料或选定的富氢重整产品 输出量来确定中间重整产品计算流。这样，该方法还包括选择用于确定中 间重整产品计算流的输送给燃料处理器的供给料。在其它实施例中，该方 法还包括选择用于确定生成所选富氢重整产品输出量的中间重整产品计算 流的富氢重整产品输出量。富氢重整产品输出量的选择包括成分和/或输入 流量。
69举例来说，操作者可以选择所要生成的富氢重整产品输出量。控 制器利用所选富氢重整产品输出量来确定燃料处理器所要生成的中间重整 产品计算流。上文所述的净化单元处理模块或经验公式可用于确定中间重 整产品计算流。控制器利用燃料处理器的处理模块和中间重整产品计算流
来设置和调整输送给生成中间重整产品的燃料处理器的供给料。当燃料处 理器达到稳态时，中间重整产品流导向净化单元以生成富氢重整产品。控 制器利用中间重整产品计算流和对照表来设置和调整净化单元的运转以生 成具有所需纯度和流速的富氢重整产品。在其它实施例中，操作者选择一 种供给料或一组供给料输送给燃料处理器并且控制器从中确定中间重整产 品计算流。然后控制器利用中间重整产品计算流来设置和调整输送给燃料 处理器的其它供给料，设置和调整净化单元的运转以生成具有所需纯度的 富氢重整产品。 在运转过程中，中间重整产品通过阀组件145导入净化单元并且 流过一个或多个吸附床150进行吸附阶段。吸附阶段的长短由阀组件145 的结构和马达141的速度决定。在吸附阶段，中间重整产品流中的杂质被 吸附床中的吸附剂吸附并且富氢重整产品流通过管道142导出净化单元。 此处要注意的是，富氢重整产品的纯度取决于几个因素，包括吸附剂的类 型、吸附床的结构和几何形状、中间重整产品的流速以及压力和温度^Hf。 对特定吸附床和吸附剂而言，吸附阶段的长短将直接影响富氢重整产品的 純度并且可调节成操纵富氢重整产品的纯度或补偿由处理器110生成的中 间重整产品的压力、流速和/或成分的变化。
78控制器170用来监测和控制燃料处理器110和净化单元140的运 转。此外，设有传感器(未示出)#测要输送给燃料处理器110的反应 物。由这种传感器生成的反应物数据传送给控制器170，分别用虚线A、 B 和C表示。控制器170包括燃料处理器110的处理模块。反应物数据输入 该处理模块来确定中间重整产品的计算流，该计算流是燃料处理器110期 望从反应物IOI、 103和105产生的。输入/输出装置171用来选择一种或 多种要输送给燃料处理器的供给料和/或由装置100生成的富氢重整产品输 出量，用于确定中间重整产品的计算流。基于中间重整产品的计算流，包 括中间重整产品流的成分、压力和/或流速数据，控制器170确定净化单元 140的合适的吸附阶段。马达141的速度设置和/或调节指令传送给马达， 用虚线D表示。通过这种方式，控制器170响应于中间重整产品的计算流 操作净化单元140，并且能够调节吸附阶段来补偿由燃料处理器110生成 的重整产品的变化，否则会负面影响富氢重整产品的纯度。
[79图2示出本发明的实施例200，其中，装置由具有氧化器213和
重整器211的燃料处理器210组成。输送管202输送燃料201、氧化剂203 和水205，在燃料处理器210中重整。燃料处理器210生成的中间重整产 品通过管道212导向緩沖器220，然后通过管道222导向压缩单元230。在 导向净化单元240之前，中间重整产品流在压缩单元230中被压缩器235 压缩。净化单元240与图l所示的净化单元没有不同，有多个吸附床250、 阀组件245和使阀组件与吸附床之间产生旋转的变速马达241。
[80产物传感器260位于净化单元的下游，以检测富氢重整产品通过 管道242流出净化单元并且生成检测到的产物数据。检测到的产物数据包 括与富氢重整产品相关的成分信息。检测到的产物数据传送给控制器270 以确定富氢重整产品是否在M^界限内。而且，检测到的产物数据可以被 控制器270用来确定燃料处理器210的处理才莫块的确定中间重整产品计算 流的精确度，而且，在必要时，调整处理模块以确定中间重整产品的更精 确的计算流。
811 控制器270监测和控制燃料处理器210、緩冲器220、压缩单元 230和净化单元240的运转。反应物数据传送给控制器270，用虚线A，、 B，和C，表示，输入燃料处理器210的处理模块以确定中间重整产品的 计算流。来自产物传感器260的检测到的产物数据传送给控制器270，用 虚线E，表示。输X/输出装置271用来选择一种或多种要输送给燃料处理 器的供给料和/或由装置200生成的富氢重整产品输出量，用于确定中间重 整产品的计算流。基于中间重整产品的计算流和检测到的产物数据，包括 中间重整产品流的成分、压力和/或流速数据，控制器270确定净化单元240 的合适的吸附阶段。马达241的速度设置和/或调节指令传送给马达，用虚 线D'表示。
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图3示出的实施例300包括燃料处理器310、压缩单元330、净 化单元340、储罐380和控制器370。如图所示，输送管302输送燃料301、 氧化剂303和水305，在燃料处理器310中重整。燃料处理器310包括氧 化器313,在这里面，燃料和氧化剂进行预热并且水转化成蒸汽。燃料处 理器还包括重整反应器311，在这里面，预热过的反应物转化成包含氢和 一种或多种杂质的中间重整产品。[83此处应当注意的是，来自燃料处理器310的中间重整产品流的成 分、压力、和/或流速都可以有变化。为了减少这些变化，设置具有入口 321 和可变开度阀323的管道320以将中间重整产品的压缩控制流导向管道 312。在压缩单元330的上游设置传感器325以检测管道312中的中间重整 产品的压力和/或流速。来自传感器325的压力和/或流速传感数据直接传送 给可变开度阀323,用虚线I"表示，用于控制阀323的位置。在一个方案 中，传感数据传送给控制器370用于操作阀323，用虚线H"和G"表示。 通过管道320流向管道312的中间重整产品压缩流起到衰减输送给压缩单 元的中间重整产品的压力和/或流速变化的作用并且防止在管道312中形成 真空，否则会吸入大气气体并且与中间重整产品混合。
84燃料处理器310生成的中间重整产品通过管道312导向压缩单元 320。压缩单元接收中间重整产品并且生成中间重整产品压缩流，通过管道 332导向净化单元330。净化单元330具有多个吸附床350、阀组件345和 使吸附床与阀组件之间产生旋转的变速马达341。净化单元330的运转与
图1和图2所示的净化单元的运转相似。产物传感器360位于净化单元的 下游以检测富氢重整产品通过管道342流出净化单元。检测到的产物数据 传送给控制器370，用虚线B'表示。产物阀365是可变开度阀，设在管道 342中以控制富氢重整产品流出净化单元。从净化单元和产物传感器360 的下游设置储罐380，至少是临时地，在分配或作进一步处理之前接收和 储存富氢重整产品。
85控制器370监测和控制燃料处理器310、压缩单元330和净化单 元340的运转。反应物数据传送给控制器370，用虚线A" 、 B"和C"表 示，输入燃料处理器310的处理模块以确定中间重整产品的计算流。输A/ 输出装置371用来选择一种或多种要输送给燃料处理器的供给料和/或由装 置300生成的富氢重整产品输出量，用于确定中间重整产品的计算流。来 自产物传感器360的检测到的产物数据传送给控制器370，用虛线E"表 示。由传感器325检测到的中间重整产品的压力和/或流速传送给控制器 370，用虚线H"表示。控制器370响应于中间重整产品计算流以及传感器 325检测到的中间重整产品的压力和/或流速，来控制或操纵可变开度阀
323。设置和/或调节阀323的开度的指令传送给阀，用虛线G"表示。控 制器370响应于中间重整产品计算流、传感器325检测到的中间重整产品 的压力和/或流速、和/或来自产物传感器360的检测到的产物数据，来确定 净化单元340的合适的吸附阶段。马达341的速度设置和/或调节指令传送 给马达，用虚线D"表示。控制器370响应于中间重整产品计算流、传感 器325检测到的中间重整产品的压力和/或流速和/或来自产物传感器360 的检测到的产物数据，来控制或操纵可变开度阀323。设置和/或调节阀363 的开度的指令传送给阀，用虚线F"表示。
[86图4是燃料处理器能生成中间重整产品流的各个工序的示意框 图。图4所示的步骤在上文中作了详细描述，此处不再重复。图5是示出 了从包含氢和杂质的中间重整产品流生成富氢重整产品的方法的步骤的框 图。该方法的步骤在上文中作了详细描述，此处不再重复。
[87上文描述的特定实施例只是示例性的，得益于本文的启示，本领 域技术人员可以显而易见地以不同但等效的方式对本发明进行变型和实 施。而且，并不想对本文示出的结构或设计的细节作任何限制，除下面权 利要求描述的之外。很明显，上文描述的特定实施例的改变或变型及所有 变化都考虑进本发明的范围和要旨内。因此，下面的权利要求阐述了本文 所要求保护的内容。
权利要求
1.制备氢的装置包括一燃料处理器，其能够生成一包含氢和杂质的中间重整产品流；一净化单元，其位于所述燃料处理器的下游，并且能够从所述中间重整产品流中清除杂质，以生成一富氢的重整产品流；一控制器，其能够由所述燃料处理器的一处理模块确定一中间重整产品计算流，并且部分地响应于所述中间重整产品计算流来操纵所述净化单元。
2. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述燃料处理器包括一氧 化器和一重整器。
3. 如权利要求l所述的装置，其特征在于，所述净化单元包括多个吸 附床和一阀组件，所述阀组件能够有选择地控制所述中间重整产品向所述 多个吸附床中的一个或多个流动。
4. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述多个吸附床包括一从 所述中间重整产品流中有选择地吸附杂质的吸附剂。
5. 如权利要求3所述的装置，其特征在于，所迷净化单元包括一能在 所述阀组件与所述多个吸附床之间产生旋转的变速马达。
6. 如权利要求l所述的装置，其还包括一产物传感器，该产物传感器 位于所述净化单元下游，用于检测所述富氢的重整产品和/或一贫氢的重整 产品，以生成检测到的产物lt据，并且其中，所述控制器部分地响应于所 述检测到的产物数据来操纵所述净化单元。
7. 如权利要求l所述的装置，其还包括一产物阀，该产物阀位于所述 净化单元下游，用于控制所述富氢的重整产品流出所述净化单元，该产物 阀是一可变开度阀，该可变开度阀部分地响应于所述中间重整产品的计算 流被操纵。
8. 如权利要求1所述的装置，其还包括， 一位于所述燃料处理器下游 的压缩单元，该压缩单元能够接收所述中间重整产品流，并且生成一压缩 的中间重整产品流，以输送给所述净化单元。
9. 如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述压缩单元包括一变速 或定速压缩器；并且，所述控制器独立于所述压缩器速度地操纵所述净化 单元。
10. 如权利要求8所述的装置，还包括一管道，所述管道具有一可变 开度阀，该可变开度阀能够控制一补充流体通过所述管道流向所述压缩单 元的一入口，并且其中，所述控制器部分地响应于所述中间重整产品的计 算流来操纵所述可变开度阀。
11. 如权利要求8所述的装置，还包括一传感器，其位于所述压缩单 元上游，能够检测所述中间重整产品的压力和/或流速，并且其中，所述可 变开度阀响应于所述检测到的压力和/或流速被操纵。
12. 如权利要求ll所述的装置，其特征在于，所述控制器部分地响应 于所述检测到的压力和/或流速来操纵所述净化单元。
13. 如权利要求l所述的装置，还包括一緩冲器，其位于所述燃料处 理器和所述净化单元中间，以緩冲所述中间重整产品流。
14. 如权利要求l所述的装置，还包括一储罐，其位于所述净化单元 下游，能够接收和储存所述富氢的重整产品。
15. 如权利要求l所述的装置，还包括一供给料，其输送给所述燃料 处理器，所述供给料包括燃料、空气、水和它们的混合物；和一供给料传 感器，其用于检测所述供给料，并且传送供给料数据给所述所述控制器。
16. 制备富氢的重整产品的方法，该方法包括以下步骤 在一燃料处理器中生成一 包含氢和杂质的中间重整产品流； 从所述中间重整产品中清除杂质，以生成一富氢的重整产品流；由所述燃料处理器的处理模块确定一 由所述燃料处理器产生的中间重 整产品计算流；部分地响应于所述中间重整产品计算流来操纵所述净化单元。
17. 如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述净化单元包括多个 吸附床，所述吸附床包括一吸附剂材料，所述吸附剂材料能够有选择地吸 收杂质；并且，在吸附阶段，通过引导流体穿过所述多个吸附床中的一个 或多个，从中间重整流中清除杂质。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，通过响应于所述中间重 整产品的计算流调整所述吸附阶段，所述净化单元响应于所述中间重整产 品的计算流受到操纵。
19. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述净化单元还包括一 阀组件，其能够有选择地控制所述中间重整产品向多个吸附床中的一个或 多个流动。
20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述净化单元还包括一 变速马达，其能在所述阀组件与所述多个吸附床之间产生旋转；并且，通 过改变马达的速度来调整所述吸附阶段。
21. 如权利要求16所述的方法，还包括，在一压缩单元中压缩所述中 间重整产品，以在从中清除杂质之前生成一经压缩的中间重整产品流。
22. 如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述中间重整产品在由 定速或变速马达驱动的一压缩器中受到压缩；并且，独立于所述压缩器的 速度来操纵所述净化单元。
23. 如权利要求16所述的方法，还包括，在从所述中间重整产品中清 除杂质之前，緩冲所述中间重整产品流。
24. 如权利要求16所述的方法，还包括，检测所述富氢的重整产品， 以生成检测到的产物数据，并且响应于所述检测到的产物数据来操纵所述 净化单元。
25. 如权利要求16所述的方法，还包括，响应于所述中间重整产品计 算流来控制所述富氢的重整产品流流出所述净化单元。
26. 如权利要求24所述的方法，还包括，检测所述富氢的重整产品， 以生成检测到的产物数据，并且响应于所述检测到的产物数据来控制所述 富氢的重整产品流流出所述净化单元。
27. 如权利要求16所述的方法，还包括，选择富氢重整产品的输出量， 并且基于所选取的富氢重整产品输出量确定所述中间重整产品计算流。
28. 如权利要求27所述的方法，其特征在于，从对照表中确定所述中 间重整产品计算流。
29. 如权利要求28所述的方法，还包括，响应于所述中间重整产品计 算流来控制输送给所述燃料处理器的供给料。
30.如权利要求16所述的方法，还包括，选择一种或多种供给料输送 给所述燃料处理器，并且其中，部分地从所选定的供给料中确定所述中间 重整产品计算流。
全文摘要
制备氢的装置和方法。该装置包括燃料处理器、净化单元和系统控制器。控制器确定来自燃料处理器的重整产品计算流并且基于该计算流操纵净化单元。从燃料处理器的处理模块和输送给燃料处理器的已知供给料中获取计算流。重整产品计算流用于控制重整产品向净化单元内的吸附床的流动，并且能够用于控制装置内的其它物质流。还公开了减少从燃料处理器流向净化单元的重整产品的压力和/或流速变化的方法。响应于重整产品成分、压力和/或流速的变化来调整净化单元的运转以保持所制氢的纯度。
文档编号B01D53/02GK101102829SQ200580046776
公开日2008年1月9日 申请日期2005年12月9日 优先权日2004年12月17日
发明者B·巴拉苏布拉马尼安, V·R·米尔科维奇, W.·斯潘塞·惠特, 孙宏桥 申请人:德士古发展公司