催化剂容纳反应器系统以及相关方法

催化剂容纳反应器系统以及相关方法
【专利摘要】根据一个或者多个实施例，提供了一种管状催化剂容纳反应器系统。该系统包括壳体以及壳体内的汽化器单元，汽化器单元包括用于接收液体化学反应物流并使其至少部分汽化的螺旋缠绕管状组件。壳体内的重整器单元从汽化器单元接收汽化的化学反应物流。重整器单元包括与汽化器单元的螺旋缠绕管状组件相连接并同轴定位的螺旋缠绕管状组件。重整器单元的螺旋缠绕管状组件包含催化剂，用于从汽化的化学反应物流催化形成气体产物流。燃烧器单元加热汽化器单元以及重整器单元。燃烧器单元接收燃料流以及空气流，并大致在汽化器单元以及重整器单元的螺旋缠绕管状组件内产生火焰。
【专利说明】催化剂容纳反应器系统以及相关方法
[0001]交叉引用
[0002]本申请要求享有2011年12月6日所提交的题为“TUBULAR PACKED BED CATALYTICREACTOR WITH COILED REACTOR TUBES AND ASSOCIATED METHODS” 的美国临时专利申请N0.61/567，340的优先权，上述申请通过引用方式并入本文。

【背景技术】
[0003]本领域已知将管状填充床催化反应器用于多种化学反应过程。在一般情况下，反应器管道中填充有颗粒催化剂，化学反应物流过管道并在其中进行化学反应。化学反应物通常是气态形式，但在某些情况下可以是液体，并且这同样适用于该反应的产物。在大多数情况下，反应产生热量或者消耗热量，其本身可能需要升高的温度，以实现实际的反应速率。
[0004]许多准则影响催化反应器的设计。其中典型的考虑因素是:(I)反应速率以及每单位反应物流所需要催化剂的对应量(体积)；(2)反应的热量以及温度要求；以及(3)管道内部的流体流量以及压力要求。
[0005]下面说明对于反应器几何形状的一些典型设计隐含要求和权衡，特别是管道的长度以及直径。由于相对小直径的管道具有较高的外表面与内部体积比，其提供更好的传热特性。然而，小直径限制流量，要求更高的入口压力。由于每单位长度的体积较小，它们还需要更长的管道长度用于给定的催化剂体积。另一方面，相对较大直径的管道提供较少的流动阻力，对于相同的催化剂体积需要更短的长度。然而，由于较低的外表面与内部体积比，具有较大直径的管道通常具有较差的传热特性。
[0006]在这些因素之间的进行权衡获得最终的设计决定，将给定体积的催化剂填充到具有给定直径以及长度的管道内。为了管理催化反应器组件内的压降，使其处于实用水平，通常优选平行布置多个管道，而不是采用单个的长管道。这样的管束在广泛的应用范围内经常遇到。
[0007]在相对小规模的重整器系统领域中，对于设计存在附加的约束限制。通常，催化反应器组件必须限制于较小的外部体积，同时保持良好的温度以及传热特性。系统的成本会是设计考虑的首要因素，因此优选最少化制造步骤的设计——所以由于成本原因优选减少管道的数目。在某些情况下这些额外的限制可能是有矛盾的。例如，可以采用具有给定直径的单个长管道设计，但由于空间限制，这种设计被具有更高制造成本的管束所取代。
[0008]基于这些高水平的设计考虑，需要考虑其它实际问题。在单个直管道或者直管道束的情况中，管道的取向对于长期性能稳定性的影响十分明显。这是由于催化剂颗粒的磨损以及沉降过程会随时间的推移缓慢发生，并且可以通过外部因素例如振动来加速。这些老化过程的结果是催化剂所占据体积随时间而减小，并且在水平取向的情况中，管道内所产生的空体积使得反应物流能够绕过催化剂。在竖直取向的情况中，催化剂沉降会导致在管道底部出现较高压降，其中细颗粒将趋于聚集。管道顶部的对应空体积会导致潜在问题，由于空体积具有与填充管道不同的传热特性，在施加外部热量时，会导致局部过热并加速管道失效。在大规模安装中，这些问题通常由催化剂床的适当维护计划以及维护程序来进行处理。然而，在小规模系统中，对催化剂床进行常规维护通常是不实际的，取而代之的是，在性能劣化到不可接受的程度时，需要更换整个催化反应器组件。
[0009]对于具有多个管道平行操作的反应器设计，必须考虑到在多个管道之间均衡反应物流、以及在操作期间维持相等的流量。对于涉及从反应物到产物增加摩尔数的反应，由于相对表现不良的管道或者“死”管道会为反应物流提供低阻力的路径，这会导致反应物流维持为未经转换，因而存在严重流量分布不均的可能性。死管道可能由劣化的较低活性催化剂造成，或者由相对于其它管道具有较差热量传递造成，从而导致冷管道或者较低催化剂活性的管道。
[0010]对于将催化重整器组件加入到系统中以例如通过甲醇(甲基醇或者CH3OH)的蒸汽重整而生产氢气，必须考虑向重整器组件提供所需的热量输入，以用于保持重整器温度以及提供反应所必需的热量。该热量可通过例如燃烧器提供。由于向重整器管道提供均衡的热量输入是有益的，燃烧器设计和管道布置相互依存。同样，当多个管道平行操作时，为避免出现上述死管道，热量输入以及与之相关的燃烧器设计变得十分重要。


【发明内容】

[0011]根据一个或者多个实施例，提供一种管状催化剂容纳反应器系统。该系统包括壳体以及壳体内的汽化器单元，该汽化器单元包括螺旋缠绕的管状组件，用于接收液体化学反应物流并使其至少部分汽化。壳体内的重整器单元从汽化器单元接收汽化的化学反应物流。重整器单元包括与汽化器单元的螺旋缠绕管状组件相连接并同轴定位的螺旋缠绕管状组件。重整器单元的螺旋缠绕管状组件包含催化剂，用于从汽化化学反应物流催化形成气体产物流。燃烧器单元加热汽化器单元和重整器单元。燃烧器单元接收燃料流以及空气流，并大致在汽化器单元以及重整器单元的螺旋缠绕管状组件内产生火焰。
[0012]根据一个或者多个进一步实施例，提供了一种从液体化学反应物流催化形成气体产物流的方法。该方法特征为包括如下步骤:(a)提供汽化器单元(其包括螺旋缠绕的管状组件)以及重整器单元(其包括包含催化剂的螺旋缠绕管状组件)，汽化器单元的螺旋缠绕管状组件与重整器单元的螺旋缠绕管状组件为同轴布置；(b)通过燃烧燃料流，大致在汽化器单元以及重整器单元的螺旋缠绕管状组件内产生火焰，以加热汽化器单元以及重整器单元；(C)在汽化器单元内使液体化学反应物流至少部分汽化；以及(d)在重整器单元内，使在汽化器单元内至少部分汽化的化学反应物流催化形成气体产物流。

【专利附图】

【附图说明】
[0013]图1为根据一个或者多个实施例的管状填充床催化反应器的前部轴测图；
[0014]图2是图1所示催化反应器的后部轴测图；
[0015]图3是盘绕式反应器管道组件的底部轴测图，用于图1所示根据一个或者多个实施例催化反应器中；
[0016]图4是根据一个或者多个替代实施例的管状填充床催化反应器的剖视图；
[0017]图5A和图5B分别是根据一个或者多个实施例的进气歧管的轴测图以及剖视图；
[0018]图6是示意性框图，示出根据一个或者多个实施例的燃料输送过程；
[0019]图7是示意框图，示出根据一个或者多个实施例的燃料处理；
[0020]图8是示意框图，示出根据一个或者多个实施例的排气系统；以及
[0021]图9是示意框图，示出根据一个或者多个实施例的氢气调节过程。

【具体实施方式】
[0022]本文披露的多种实施例涉及管状催化剂容纳反应器，特别地，涉及管状填充床催化反应器，其包括填充有颗粒状催化剂的盘绕式反应器管道。催化反应器适合用于多种已知的化学过程，很大范围包括用静止催化剂颗粒引导的气相反应，也称为“异相化学反应”。在示例性实施方式中，本文所披露的方法以及装置用于通过醇或者烃系燃料进行蒸汽重整的氢气生产，该蒸汽重整由适合于相关特定反应的催化剂颗粒引导。甲基醇与水的反应特别重要。通常，以大约1:1的摩尔比预混合的反应物完全地汽化，以及，将气态混合物引入处于大约200至450摄氏度(V )、优选300至400摄氏度的温度范围内的填充床催化反应器，以完成甲基醇与水的反应。在反应器出口处得到的气体混合物包含氢气、一氧化碳、以及未反应的甲基醇和水，氢气通常超过60%体积，以及，混合有二氧化碳时会高达75%体积。该混合物非常适合于多种氢气分离过程，包括通过氢气选择性膜的分离，分离得到的副产物流可燃烧以提供汽化以及反应过程所需的热量。当与氢分离例如氢气选择性膜或者变压吸附(PSA)相结合时，最好在升高的压力下进行上述过程，优选压力在大约100至400磅/平方英寸(Psig)之间，从而使所得到的气体混合物处在适当的压力下，以驱动氢分离。
[0023]图1至图3示出根据一个或者多个实施例的催化反应器10的示例。如图1所示，反应器10包括汽化器单元12、与汽化器单元12出口相连接的盘绕式反应器管道组件14、以及与盘绕式反应器管道组件14出口 16相连接的反应物管道组件18。燃烧器22设置在汽化器单兀12中用于加热反应物。反应器10封闭在外壳(未不出)中，并在壳体中锚定在合适的位置上。
[0024]如图1至图3所示，盘绕式反应器管道组件14包括两个相连的盘绕式反应器管道
24、26。各盘绕式反应器管道包括连续的一系列规则间隔的螺旋。各盘绕式管道在管道的一端包括入口，以及，在相反端包括出口。在此示例中，第一反应器管道26的出口 28与第二反应器管道24的入口 30相连。各管道填充有催化剂颗粒。从第一管道26的入口 16处(从汽化器组件12)引入的一种或多种化学反应物流过第一管道26以及第二管道24，在管道中发生期望的化学反应。反应产物从第二管道24的出口 20流入反应物管道组件18，反应物管道组件18的功能是使离开反应器的产物气体的温度缓和。
[0025]在图1至图3的示例性催化反应器10中，盘绕式管道24、26串联布置。在替代实施例中，管道可以布置为并联结构。此外，虽然示出的盘绕式反应器管道组件14包括两个盘绕式反应器管道，可以使用任意数量的盘绕式管道，这取决于反应器的设计以及空间限制。
[0026]通过将直管成型为盘绕式结构，能够以低成本形成盘绕式管道。管道材料的选择由过程的操作条件确定，在一些示例中，操作条件包括温度范围在大约200摄氏度至大约500摄氏度、以及内部压力在Opsig至400psig之间。因此，对构成材料进行选择，以使其在全部操作条件范围内保持完整性。合适的金属可包括:不锈钢，其包括316不锈钢；以及本领域中已知的更高温度合金，包括inconel (因科内尔铬镍铁合金)和hastelloy (哈司特镍基合金)。
[0027]盘绕式管道应具有最小壁厚以改善传热，同时要足够厚以安全地维持反应器的内部操作压力。然而，如果壁太薄，在进行盘绕式结构的形成时，管道的剖面会变为椭圆形，以及会承受应力疲劳并会导致失效。小直径管道提供更好的传热特性，但是，如果管道太小，流量将受到限制，因而需要更大的入口压力。管道也需要具有更长的管道长度，以提供足够的催化剂容积。大直径管道对流体提供较小的阻力，但是具有较弱的传热特性。下面是制成的适用于中等规模氢气生产反应器的盘绕式管道尺寸的示例。盘绕式管道可由直管制成，该直管具有内径的范围在0.5英寸至1.25英寸，并且其壁厚范围在0.05英寸至0.125英寸。盘绕式管道可由管长为10英尺至40英尺的直管制成。盘绕式管道结构的外径范围可从4英寸至8英寸。螺旋管管道结构的内径约为螺旋管外径减去管道的外径。盘绕式管道结构的长度可以为6英寸至24英寸。间距即螺旋管间隔的范围可以为O至0.125英寸。这些尺寸仅为示例，根据所涉及特定过程和设计约束，也可使用其他多种合适尺寸。
[0028]在这种盘绕式管道中填充有选择用于给定反应过程的催化剂。本领域已知多种这样用于醇或者烃蒸汽重整的催化剂。如本领域中已知，用于甲醇蒸汽重整的一个示例是由铜、锌以及氧化铝组成的催化剂家族，这些催化剂很好地适用于甲醇的低温蒸气重整。
[0029]催化反应器10还包括加热单元32，当反应器处于“待机”状态时，即不向加工工序供给燃料因而不运行燃烧器的状态时，加热单元32用于将反应器管道24、26维持处在给定温度(例如在特定氢气产生过程中为大于300摄氏度)。在特定应用中，例如备份电源在高达数十千瓦电力范围内提供电力的应用中，要求最短的启动时间，如果系统需要以最短启动时间来生产氢气，这样的待机状态是必需的。提供保持系统为热的状态，在需要时允许随后处理的燃料快速气化、重整并最终输送至燃烧器点燃，从而加热单元32允许反应器10快速运转达到运行状态。之后，燃烧器提供所需要的处理热，而不再要求电气加热。图1和图2所示的加热单元32布置为同心方式位于盘绕式反应器管道24、26的内径里。这种布置允许加热单元32与反应器管道的很大一部分外表面区域紧密接触，允许有效地向管道传热。各加热单元32包括金属块(例如铝块)34，该金属块包括中心孔，中心孔形成用于容纳细长形电气盒状加热件36的容纳部。根据需要，电气盒状加热件36可以周期性移除以及替换。催化反应器10的外壳(未示出)上的孔可用于接近盒状加热件36。典型的电气盒状加热件可为3/8”至1/2”直径的圆筒型加热件，3至8英寸长，功率为100至1000瓦。
[0030]在优选的实施例中，金属块34具有非圆形的横截面。在图1和图2中，金属块都示出为具有六边形横截面。由于具有非圆形的横截面，盘绕式管道24、26的内表面与金属块34之间形成有间隙。该间隙允许空气流通过其中，增加了在运行24、26期间提供从燃烧器废气对流而传递到盘绕式结构的热传递。
[0031]根据多种实施例的盘绕式管道反应器在使用时可定位成总体上任意取向，包括水平或者竖直取向。如上所述，水平取向的常规直状反应器管道中发生的催化剂沉淀、颗粒磨损产生细颗粒、以及老化，可以产生催化剂空隙，允许反应物流绕过催化剂。此外，在竖直取向的常规直状反应器管道中，催化剂沉淀会导致在管道底端产生很高的压降，此处，小且细的催化剂颗粒会随时间而蓄积。此外，在管道顶部对应的空体积会导致局部过热。根据本发明多种实施例的反应器盘绕式管道构造避免了这些以及其他问题。采用盘绕式结构，不存在明显的通道用于反应物流绕行催化剂。而且，在盘绕式构造中，沿着盘绕式结构的长度，在多个螺旋管之间更均匀地分配催化剂沉淀，因此，减小了在结构底部的压降，以及避免了结构顶部的明显空体积。
[0032]附加地，基于选择催化剂材料/反应过程的优选操作条件，根据过程中的各个步骤的相对温度，可采用替代系统的构造。如果所期望的反应和/或所选择的催化剂必须在高于上述构造温度的温度下运行，有利的是将重整器螺旋管布置在紧靠燃烧器的上方，实际上使其与汽化器部分交换位置，这非常适合于在铜/锌/氧化铝基催化剂上进行相对低温的甲醇蒸汽重整。
[0033]图4是根据一个或者多个替代实施例的管状催化剂容纳反应器100的剖视图。反应器100包括支撑在支腿106上的壳体102。汽化器单元108和重整器单元110安装在壳体102内部。设置燃烧器单元112用于加热汽化器单元108以及重整器单元110。
[0034]燃烧器单元112在燃料入口 114处接收燃料流，以及在空气进气歧管116处接收空气流。空气进气歧管116 (更详细地示出于图5A以及图5B中)形成大致圆柱形环，其布置为使得空气流完全地围裹住来自燃料喷嘴118的燃料流。空气进气歧管116包括多个沿切向取向的空气流通道120，该通道向空气速度矢量引入切向或者涡流组分，以使燃烧稳定并提供增强的空气/燃料混合，改善了燃烧效率，以及降低了排放。燃烧器单元112还包括用于启动燃烧器的火花点火器122、以及其附近的热电偶，用于核查和监测火焰。
[0035]汽化器单元108包括具有同轴对齐的两个螺旋部分(内螺旋件124以及外螺旋件126)的螺旋缠绕管状组件。两个螺旋件124、126优选以相反的方向缠绕，以在基部处相结合形成连续的螺旋管。通过装配、焊接或其它合适的加工方法，使螺旋件124、126在基部处相结合。内螺旋件124的顶部引入液体燃料混合物(或其他化学反应物流)，允许液体流在重力的作用下向下移动。然后，部分汽化或者优选完全汽化的混合物通过外螺旋件126向上流，并从外螺旋件126的顶部流入重整器单元110。
[0036]重整器单元110包括与汽化器单元108的旋绕螺旋管124、126相连接并同轴地布置在其周围的旋绕螺旋管，也可以采用其他布置方式。例如，根据一个或者多个实施例，汽化器单元的旋绕螺旋管124、126同轴地布置在重整器旋绕螺旋管110的周围。根据一个或者多个进一步的实施方案，汽化器旋绕螺旋管124、126的一部分位于重整器旋绕螺旋管110的外部，以及，一部分位于重整器旋绕螺旋管110的内部。
[0037]重整器旋绕螺旋管110填充有催化剂。根据一个或者多个实施例，重整器旋绕螺旋管110是催化剂材料为颗粒物质的填充床催化反应器。在一个或者多个替代实施例中，催化剂洗涂并固定在重整器旋绕螺旋管110的内表面上。
[0038]离开汽化器单元108外旋绕螺旋管126顶部的汽化燃料进入重整器旋绕螺旋管110的顶部，并大致在向下方向流动，在底部排出。通过在重整器螺旋管中的催化反应，燃料混合物部分或者优选完全地转化为富氢气体混合物。重整器的温度可以在入口附近以及重整器螺旋管的中间部分处进行测定。
[0039]净化器单元(示出于图7的燃料过程流程图)从重整器单元110接收富氢气体混合物，并将该流分离分成两个流，一个富含氢气流(例如，以摩尔计至少95%的氢气)以及废气流。富含氢气流优选高纯度(例如，以摩尔计至少99%的氢气)以及更优选超高纯度(例如，以摩尔计至少99.999%的氢气)。废气流包括残余气体，该残余气体包含氢气、二氧化碳、一氧化碳、以及水作为主要成分。分离比例根据需要进行控制，以在废气流中获取足够的燃烧值，所以当废气流在燃烧器单元112中燃烧时，提供了使燃料汽化以及重整所需的基本所有热量，同时维持汽化器与重整器处在足够的工作温度范围内。该净化器单元130被很好地隔离，以及，温度由附接在净化装置130外部的热电偶进行测定。
[0040]系统进一步包括:主控制器单元132，其包括微处理器，该微处理器具备能监控系统内各种温度和压力的能力、以及控制系统内各组件的能力一燃料泵134以及燃料泵速度、燃烧鼓风机或者空气鼓风机136及其速度、以及其他各种致动阀以及与该系统的控制相关的切换组件。主控制器132还包括用户通信界面，其允许用户向系统发出指令，例如待机或者产生氢气。主控制器132运行存储在存储器中的数字算法，用于确定对各种输入信号变化的输出响应。
[0041 ] 放气组件包括管路以及可能的其他部件例如阀门，该放气组件连接从净化器单元130到燃烧器单元112的废气流。放气组件提供被动控制燃料向燃料喷嘴118流动的功能，以及维持对系统其余部分的背压的功能。放气组件可包括固定长度的管道，该管道的尺寸大小设定为向燃烧器产生预定范围的燃料流速，同时维持系统的背压处在预定范围内。
[0042]排气组件包括排出器装置内的空气鼓风机136 (图8)，该空气鼓风机136通过排气口 138将空气排到壳体外，因而通过燃烧器单元112的空气进气口 120将空气吸壳体内。排出器装置允许系统以相对于周围略微负压的状态运行，从而燃烧器单元112的排放限制为通过排气口 138离开系统。改变空气鼓风机136的速度，从而允许间接控制流向燃烧器单元112的空气流。
[0043]燃料输送系统(图6)包括:流量计量燃料泵134，其可在升高的压力下将燃料输送到反应器100 ;电磁阀140，其耦接在泵上，以在泵不工作以及系统处于压力之下时阻止通过泵的回流；以及压力指示装置，例如压力传感器142。
[0044]纯净氢气调节系统(图9)包括:冷却部分144，其用来降低产物氢气温度，达到至少预定的最低水平；单向阀146，用来帮助防止氢气回流到净化器；致动阀148例如电磁阀，用于打开或者关闭氢气流；以及缓冲箱150。在另一种结构中，第二致动阀152例如电磁阀设置用于控制进入缓冲箱150的流动。
[0045]反应器100包括电加热单元组件154，在反应器系统处于待机状态时，该电加热单元组件154将维持重整器单元110以及汽化器单元108处在给定温度。该加热单元154包括金属块(例如铝块)，金属块包括孔，该孔形成用于容纳细长形电气盒状加热件的容纳部。
[0046]系统运行:
[0047]当系统处于待机模式时，向加热单元154的电气加热件供电，以将重整器以及汽化器螺旋管110、108至少部分维持于启动温度。通过读取温度以及在全功率或者调制到O与100%占空比之间的功率水平下，运行加热件，以控制加热器功率，其中占空比取决于与目标温度的接近程度。
[0048]当达到最低待机温度时，系统已准备好氢气生产。在一些实施例中，净化器单元130也可需要单独电气加热到其自身的待机温度，以使其为氢气生产做好准备。
[0049]在从待机进入氢气生产模式的过程中，系统经历数个动作:
[0050]点火:在点火期间，空气流最开始以相对低的流量流至燃烧器单元112。当空气流被确认后，启动燃料泵134——将液体燃料送至汽化器单元108 (在该处空气流被汽化)、并通过重整器单元I1 (在该处转换为富氢气体)。尽管通过保持氢气电磁阀148关闭而阻止氢气流到系统外，富氢气体可通过氢气净化单元130。因此，基本上所有的重整燃料到达燃烧器单元112。在燃烧器单元112，启动点火器122，并继续燃火直到火焰由燃烧器热电偶温度的迅速升高得以确认。
[0051]加热:通过以预定的加料速率运转燃烧器单元112，系统升高到优选操作温度。为保持向燃烧器的高加料速率，不允许氢气流出净化器单元130。在加热时，加料速率逐渐地从较低的初始值提高到更高的完成值。
[0052]氢气输送:当重整器的操作温度达到最低优选水平，通过打开电磁阀148(在存在两个电磁阀的实施例中还需要在随后打开电磁阀152),启动氢气输送。在输送状态中，控制系统连续地确定两个输出参数——燃料泵的速度，其决定了液体燃料添加到系统中的速率，以及燃烧风扇(即，空气鼓风机136)的速度，其决定了空气加入燃烧器中的速率。泵以及风机的速度是由主控制器132所运行的算法确定的，该算法评估两个重整器的温度、燃料压力、以及纯净氢气压力，并确定设定燃料泵以及燃烧风扇的值。在一般情况下，控制系统试图将氢气压力保持在最低值或者在最低值之上，而同时将重整器温度保持在温度窗口内，并将燃料压力保持为低于最大值。在燃料泵的情况中，当新燃料泵的速度是由算法要求时，通过重载斜坡函数(overriding ramping funct1n)来逐渐逼近速度，以减缓加料速率的变化，对应于系统响应时间。在一些实施例中，净化器温度是通过向加热件提供电力而额外控制的。
[0053]尾氢气输送:一般情况下，当燃烧器处仍然有火焰时，燃烧风扇136继续操作，如燃料压力大致高于环境压力时所表明的。在一些实施例中，在完全关闭燃料泵134之前，系统将试图通过以预设低速持续运转燃料泵134来填充氢气缓冲箱150至预设水平，直到达到目标填充压力。否则，当内部纯净氢气压力超过预设水平时，系统将通过打开氢气电磁阀来将过量的氢气压力排向处在关机期间的缓冲箱150。一旦系统已基本上完成减压,其可以回到待机状态。
[0054]在以上所提供的各种实施例中，反应器系统被描述为通过重整醇或者烃系燃料来生产氢气。然而，应当理解的是，根据各个实施例的反应器可以用于多种其他过程，包括例如氨(NH3)裂解。
[0055]上文描述了几个说明性实施例，但应当理解的是，本领域技术人员容易想到多种替代、修改以及改进。这样的替代、修改以及改进构成本文公开的一部分，并包含在本发明的精神以及范围内。虽然本文介绍的一些实施例涉及功能或者结构元件的具体组合，但是应当理解，这些功能以及元件可以根据本发明以其它方式进行组合，以完成相同或者不同的目标。特别地，在一个实施例中所讨论的动作、元件、以及特征并不排除在其它实施例中起到类似或其他作用。
[0056]此外，本文所述的元件以及部件可以进一步分为额外的部件或者结合在一起以形成用于执行相同功能的较少部件。
[0057]因此，以上描述以及附图仅用于示例说明，而并不用于限制本发明。
[0058]在权利要求书中提出权利要求。
【权利要求】
1.一种管状催化剂容纳反应器系统，包括: 壳体； 所述壳体内的汽化器单元，其包括螺旋缠绕管状组件，用于接收液体化学反应物流并使其至少部分汽化； 所述壳体内的重整器单元，用于从所述汽化器单元接收汽化化学反应物流，所述重整器单元包括与所述汽化器单元的所述螺旋缠绕管状组件相连接并同轴定位的螺旋缠绕管状组件，所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件包含催化剂，用于从所述汽化化学反应物流催化形成气体产物流；以及 燃烧器单元，用于加热所述汽化器单元以及所述重整器单元，所述燃烧器单元接收燃料流以及空气流，以及，通常在所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件以及所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件内产生火焰。
2.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件布置在所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件的周围。
3.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述重整器单元包括填充床催化反应器。
4.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述燃烧器单元包括燃料喷嘴组件以及空气进气歧管，所述空气进气歧管包括大致圆柱形环，该大致圆柱形环布置为，使得进入所述燃烧器单元的空气流围裹住来自所述燃料喷嘴组件的燃料，以及，其中，所述空气进气歧管设置为使气流成漩涡以增强空气和燃料的混合。
5.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件包括内螺旋部以及外螺旋部，所述螺旋部结合并同轴对齐。
6.根据权利要求5所述的反应器系统，其中，所述反应器系统取向为，在进入所述重整器单元之前，所述化学反应物流大致在向下方向通过所述汽化器单元的内螺旋部，以及，之后大致在向上方向通过所述汽化器单元的外螺旋部。
7.根据权利要求1所述的反应器系统，进一步包括电加热单元，用于当所述反应器系统在待机状态时维持所述重整器单元处在给定温度。
8.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述化学反应物流包括水与醇或者烃基燃料的混合物，以及，其中，所述化学反应物流经过催化重整以产生含有氢的气流。
9.根据权利要求8所述的反应器系统，其中，所述气流包含以摩尔计至少30%的氢。
10.根据权利要求8所述的反应器系统，其中，所述气流包含以摩尔计至少50%的氢。
11.根据权利要求8所述的反应器系统，进一步包括净化器组件，用于使所述含有氢气的气流分离成为第一富含氢气流以及第二废气流，该第二废气流包含的残余氢气混合有二氧化碳、一氧化碳、以及水。
12.根据权利要求11所述的反应器系统，其中，所述第一富含氢气流以摩尔计至少有99%的氢。
13.根据权利要求11所述的反应器系统，其中，所述第一富含氢气流以摩尔计至少有99.999% 的氢。
14.根据权利要求11所述的反应器系统，进一步包括放气组件，用于引导所述第二废气流至所述燃烧器单元用作所述燃料流，其中，所述放气组件包括固定长度的管道，该管道的尺寸设定为产生预定范围流量的燃料供给所述燃烧器，同时维持所述系统的所述背压处在预定范围内。
15.根据权利要求1所述的反应器系统，进一步包括排气组件，其包括喷射器用于抽吸废气排到所述壳体之外，从而通过空气进气口将空气流从所述壳体之外吸入所述燃烧器单J Li ο
16.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述化学反应物流包含燃料，以及，其中，所述反应器系统进一步包括燃料输送组件，该燃料输送组件包括用于向所述汽化器单元输送所述燃料的流量计量燃料泵。
17.根据权利要求1所述的反应器系统，其中，所述气体产物流包含氢，以及，其中，所述反应器系统进一步包括氢调节单元，该氢调节单元用于将所述气体产物流冷却到至少预定温度，以及抑制所述气体产物流的回流。
18.一种从液体化学反应物流催化形成气体产物流的方法，包括下述步骤: 提供包括螺旋缠绕管状组件的汽化器单元、以及包括螺旋缠绕管状组件的重整器单元，所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件包含有催化剂，所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件和所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件同轴布置； 通过燃料流的燃烧，大致在所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件以及所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件内产生火焰，从而加热所述汽化器单元以及所述重整器单元； 在所述汽化器单元内使所述液体化学反应物流至少部分汽化；以及 在所述重整器单元内，使所述汽化器单元内至少部分汽化的所述化学反应物流催化形成所述气体产物流。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述重整器单元的螺旋缠绕管状组件围绕所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件布置。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述重整器单元包括填充床催化反应器。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，燃烧的所述燃料流包括:通过使空气围绕燃料涡旋，使所述燃料流的燃料与空气混合，以增进空气和燃料的混合。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述汽化器单元的螺旋缠绕管状组件包括内螺旋部以及外螺旋部，所述螺旋部分结合并同轴对齐。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括:所述化学反应物流在进入所述重整器单元之前，使所述化学反应物流大致在向下方向通过所述汽化器单元的所述内螺旋部，以及，之后大致在向上方向通过所述汽化器单元的所述外螺旋部。
24.根据权利要求18所述的方法，进一步包括在待机状态下维持所述重整器单元处于给定温度。
25.根据权利要求18所述的方法，其中，所述化学反应物流包含水与醇或者烃基燃料的混合物，以及，其中，所述化学反应物流经过催化重整产生含有氢的气流。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述气流包含以摩尔计至少30%的氢。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述气流包含以摩尔计至少50%的氢。
28.根据权利要求25所述的方法，进一步包括:将所述包含氢的气流分离成为第一富含氢气流以及第二废气流，该第二废气流包含的残余氢气混合有二氧化碳、一氧化碳、以及水。
29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第一富含氢气流以摩尔计至少有99%的氢气。
30.根据权利要求28所述的方法，其中，所述第一富含氢气流以摩尔计至少有99.999% 的氢。
31.根据权利要求25所述的方法，进一步包括:使所述第二废气流以预定流量范围流向燃烧器单元，以用作所述燃料流，同时维持所述背压在预定范围内。
32.根据权利要求18所述的方法，进一步包括:将废气抽吸排出到包括所述汽化器单元以及所述重整器单元的壳体之外，从而通过空气进气口吸入来自所述壳体外部的空气流用于燃烧所述燃料流。
33.根据权利要求18所述的方法，其中，所述气体产物流包含氢，以及，其中，所述方法进一步包括将所述气体产物流冷却到至少预定温度、以及抑制所述气体产物流发生回流的步骤。
【文档编号】B01J19/24GK104203397SQ201280069054
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年12月6日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】查尔斯·W·克吕格尔, 乔治·M·罗伯茨, 爱德华·G·凯尔里克, 迈克尔·Y·莱希纳 申请人:Hy9公司