整合的燃烧器和进行同步吸热和放热反应的方法
【专利摘要】本发明提供了整合的燃烧反应器（ICR）和制造ICR的方法，其中燃烧室（或通道）直接与用于吸热反应的反应室热接触。本发明也描述了具体的反应器设计。本发明提供了在整合的燃烧反应器中进行反应的方法以及得到的结果。一些方法的特征是具有意外的和较好的结果，和/或这些结果不能用现有的设备得到。
【专利说明】整合的燃烧器和进行同步吸热和放热反应的方法
[0001]本发明专利申请是国际申请号为PCT/US2003/022490，国际申请日为2003年8月4日，进入中国国家阶段的申请号为03823737.7，名称为“整合的燃烧器和进行同步吸热和放热反应的方法”的发明专利申请的分案申请。
[0002]其他申请
[0003]可通过参照2002年8月15日提交的美国专利申请10/220604、10/219990和10/219956进一步理解本发明，其全部内容参考结合于此。
【背景技术】
[0004]目前，在微反应器中进行的吸热反应是由外部热源(例如由外部燃烧器提供的流体)提供的热量驱动的。在这种情况下，提供热量的气流的温度就会受到结构体所用材料的限制。例如，由Inconel25构成的典型微反应器应限于使用温度为?1050°C或更低的气体。实际上，这意味着由外部燃烧器提供的流体必须用冷的气体(即过量空气)稀释，以使所述气体的温度下降，以满足该材料的温度限制。这就提高了气体总流量，增加了鼓风机/压缩机的成本。而且，从外部加热气流会造成热量损失(发生在热气体输送到所述微反应器的过程中)，以及需要将燃烧器连接到微反应器的昂贵耐高温材料。
[0005]另一方面，整合的燃烧器可为接近反应区的反应提供热量，因此可降低热量损失并提高效率。由于常规燃烧催化剂在高温条件下(高于?1200°C)是不稳定的，这是因为贵金属会烧结，因此，整合的燃烧器必须以足够大的速率除去热量，该速率足以使催化剂表面的局部温度保持低于催化剂快速失活的水平而避免风险。
[0006]发明概述
[0007]在整合的反应器中，燃烧/生成热量应在接近所述吸热反应的区域发生。优选地，在与进行吸热反应的微通道交叉的微通道中进行放热反应。优选是吸热反应流体和放热反应流体的共流体。但是，也可以是交叉流体或逆流体。放热反应产生的热量从放热反应传导到吸热反应催化剂上，在那里进行吸热反应。
[0008]优选地，在所述整合的反应器中，放热反应通道和/或吸热反应通道是微通道，即直径至少为2毫米(mm)或更小的通道。使用最小直径大于2毫米的通道可能是无效的，因为热量和质量传递的限制就会被放大。整合的燃烧器可使用反应器微通道的大表面积，以除去生成的热量，这样使微反应器组件不超过材料的温度限制，同时燃烧时仅需要比使用外部燃烧器时所需的过量空气(稀释剂)少得多的过量空气。
[0009]一方面，本发明提供了一种在整合的燃烧反应器中进行吸热反应的方法，它包括:将放热反应混合物通入至少一个放热反应室中，将燃料和氧化剂通入至少一个吸热反应室中(其中所述燃料和氧化剂都在所述燃烧室中具有50ms或更少的接触时间，所述放热反应室包括至少一个放热反应室壁，所述放热反应室壁与至少一个吸热反应室相邻，所述吸热反应室包括至少与至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻)，以及将热量以下述速率的一种或多种:至少0.6ff/cc的燃烧室体积，或至少lW/cm2 (以所述吸热反应室的内表面积计)，从至少一个放热反应室传递到至少一个吸热反应室。所述热通量可基于单个放热反应室或多室设备中的多反应室进行测量。这样，这两种情况都包含在本发明的范围内。在本发明方法和设备的各种优选实施方式中，所述放热反应室体积具有小于2毫米，较佳小于1.5毫米，有些实施方式中，小于I毫米的一个内尺寸；基于反应室的体积热通量大于10W/cc,更优选大于lOOW/cc,还要更优选大于500W/cc。在放热和/或吸热反应室中的接触时间优选小于500ms，更优选为IOOms或更少，还要更优选50ms或更少，更优选25ms或更少,还要优选IOms或更少。面积热通量(相对于各个反应室的面积)优选为lW/cm2或更大,优选5W/cm2或更大,更优选10W/cm2或更大,还要更优选20W/cm2或更大。
[0010]在另一方面，本发明提供了 一种在整合燃烧器中进行流体重整(streamreforming)的方法,它包括:步骤a)将流体和烃送入至少一个吸热反应室中，其中所述流体与碳之比小于3:1，且通过所述吸热反应室的压力降小于900psig (6000kPa)，步骤b)将燃料和氧化剂通入至少一个放热反应室中，其中所述燃料和氧化剂在所述燃烧室中都具有IOOms或更少的接触时间，其中所述放热反应室包括至少一个放热反应室壁，所述反应室壁与至少一个吸热反应室相邻，所述吸热反应室包括至少与至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻，步骤c)将所述流体和烃转变成CO和H2,这样所述至少一个放热反应室有一个显示烃的转化率至少为50%，且CO的选择性至少为50%的输出；同时并且连续的进行步骤a、b和c至少100小时，使压力降提高2psi。流体和碳之比的其他优选水平为小于2.5:1、2:1和1.5:1。在另一个实施方式中，设备的特征是，操作100或500小时,然后断开(cut open),以释放(reveal)出小于0.1克焦炭每千克处理的甲烷燃料。
[0011]在另一方面，本发明提供了一种在整合的燃烧器中进行同步放热和吸热反应的方法，它包括:将吸热反应组合物送入至少一个吸热反应室中，将燃料和氧化剂送入至少一个放热反应室中，其中所述燃料和氧化剂在所述燃烧室中都具有IOOrns或更少的接触时间，所述氧化剂的用量为完全氧化燃料所需氧化剂量基础上过量50%或更少，将所述燃料和空气转变成产物；并将所述产物输出整合的燃烧器，其中CO小于2500ppm ;所述放热反应室包括至少一个放热反应室壁，所述反应室壁与至少一个吸热反应室相邻，所述吸热反应室包括至少与所述至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻。代替CO低含量的是，或者除了 CO低含量的是，当氧化剂是空气时，所述产物含有小于IOOppm的N0X。过量氧化剂的含量是总的过量，换句话说，转化率不包括任何随后的处理步骤，在这些处理步骤中，在处理室(例如，催化转变器)中加入了其他氧化齐U。NOx的其他含量包括:小于IOOppm,小于50ppm, 20ppm或更小，IOppm或更小，5ppm或更小。
[0012]本发明还提供了整合的燃烧器，它包括:至少一个放热反应微通道；所述放热反应微通道包括至少一个放热反应微通道壁，所述微通道壁与至少一个吸热反应微通道相邻，所述吸热反应微通道包括至少与至少一个吸热反应微通道壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应微通道壁与至少一个放热反应微通道相邻；而且所述整合燃烧器在使用所述热通量试验进行测试时具有一个或多个优选的性质。
[0013]本发明也提供了一种分层的整合燃烧器，它包括:具有第一体积的外部放热反应层；与所述外部放热反应层相邻的第一燃烧器层，它位于所述外部放热层和内部吸热反应层之间；具有第二体积的内部吸热反应层，它位于所述第一燃烧器层和第二燃烧器层之间；所述第二燃烧器层与所述内部吸热反应层相邻分布；所述第一体积比所述第二体积小20 — 80%。更优选地，所述第一体积比所述第二体积小45 — 55%。该ICR的一个非限制性实例是所述的结合的ICR结构。
[0014]本发明还提供了一种同时进行放热和吸热反应的方法，它包括:使燃料流入燃烧室中；在所述燃烧室中加入氧化剂，这样所述氧化剂就能氧化所述燃料，且所述燃烧室中的温度就能从所述燃烧室的前部到其后部提高；在与所述燃烧室相邻的吸热反应室中提供吸热反应组合物，所述吸热反应室和燃烧室由热传导壁隔开；所述吸热反应组合物进行吸热反应，形成产物。如果没有其他说明，所述燃烧室的前部定义为燃料流接触燃烧催化剂和氧化剂的地方，而所述燃烧室的后部定义为装有燃烧催化剂的反应室最后面部分，它与吸热反应室直接热接触(即通过壁)。在所述的结合ICR结构中，排气部分并不与所述吸热反应室直接接触。或者，所述燃烧室的后部可定义为所述燃料和氧化剂的95%的放热容量已经消耗掉的部位。
[0015]本发明也提供了一种进行吸热反应的方法，它包括:将燃料送入第一燃料通道，同时，将燃料送入第二燃料通道；以分布的方式沿着所述第一和第二燃料通道的长度加入氧化剂；通过吸热反应通道送入吸热反应组合物，所述通道具有连接到含催化剂的吸热反应室的预热部分；在所述第一燃料通道中氧化所述燃料，生成热量并形成第一热废气流，同时，氧化第二燃料通道中的燃料，生成热量并形成第二热废气流；在一个废气通道中将所述第一废气流和第二废气流混合起来；将在所述第一燃料通道中生成的一部分热量通过壁传递到所述吸热反应室中；将来自所述第一废气流和第二废气流的热量通过所述废气通道的壁传递到所述第一燃料通道；使所述吸热反应组合物在所述吸热反应室中反应，形成热的吸热反应产物；使所述热的吸热反应产物流入产物通道；将由所述产物通道中的热的吸热反应产物提供的热量通过壁传递到所述吸热反应通道的预热部分。
[0016]本发明还提供了一种整合的燃烧器，它包括:包含燃烧催化剂的燃烧微通道；与所述燃烧微通道相邻且包含吸热反应催化剂的吸热反应微通道，所述吸热反应催化剂在流动方向的长度至少为10厘米；以及隔开所述燃烧催化剂和吸热反应催化剂的壁。长的反应催化剂得到了短接触时间和高热通量的意外结果。本发明还包括通过该ICR进行吸热反应的方法，优选具有低的压力降。本发明的这方面优选是较短的通道，且具有较长的接触时间，因为可降低热梯度和提高设备寿命。在有些优选的实施方式中，所述吸热反应微通道的高度(垂直于流动方向的尺寸，它限定了从吸热反应微通道的中心到所述燃烧微通道的最短距离)为0.5毫米或更小。在有些优选的实施方式中，在所述吸热反应微通道的壁和所述吸热反应催化剂表面之间有缝隙，所述缝隙优选为8 - 12密尔(0.2-0.3毫米)。
[0017]在另一方面，本发明提供了一种ICR，它包括:一叠(stack)至少两个微通道，其中至少两个微通道中的至少一个包括可拆除的催化剂插入物(insert)和催化剂门(door)ο本发明也包括通过打开所述催化剂门以及除去催化剂来抢救(salvage)或翻新(refurbish) ICR 的方法。
[0018]在还有一个方面，本发明提供了一种ICR，它包括:外部；包括至少两个成叠的微通道的内部以及连接至少两个微通道中的至少一个并通向外部的催化剂前体通路；所述催化剂前体通路与过程气体的入口和出口是分隔的，且是不同的。本发明也包括通过所述催化剂前体通路加入催化剂(或通过溶解除去催化剂)的方法。
[0019]在其他方面，本发明提供了启动ICR的方法。一种方法包括:将氢气加入到燃料通道中启动燃烧反应，然后减少流入到所述燃料通道中的氢气，并提高烃的流入量。本发明还包括启动方法，是将非反应气体通过所述吸热过程侧面接近操作过程的流速。优选地，所述非反应气体是惰性气体，例如氮气，但是可以是非反应的加工气体。本发明也包括启动方法，其中流体通过放热和/或吸热反应室的总流速在整个启动过程中基本上保持恒定。在另一个启动方法中，在进入所述反应室之前，烃燃料先进行部分氧化反应，从而得到较低的点燃(Iightoff)温度。
[0020]在另一个方面，本发明提供了一种同时在ICR中进行吸热和放热反应的方法，它包括:通过吸热微通道反应室，以是相邻放热微通道反应室中两倍或更高的压力，输入吸热反应混合物。
[0021]在另一个方面，本发明也提供了一种同时在ICR中进行吸热和放热反应的方法，它包括:通过ICR中的微通道输入包含H2和甲烷的混合物；使所述H2和甲烷与氧化剂反应，形成水、CO2和CO，生成热量，因而从所述混合物中除去H2和甲烷；比较通过微通道之前混合物中H2和甲烷含量以及通过所述微通道后在任意点的H2和甲烷含量，可知，相比从混合物中除去的H2的百分数，从所述混合物中除去的甲烷的百分数更高。这是非常吃惊的结果。“除去”步骤是通过化学反应进行的，而不是通过分离技术进行的。
[0022]本发明还提供了一种形成层合设备的方法，它包括:形成一叠薄片(shim)，所述薄片包括含空隙的牺牲(sacificial)薄片；将热量和压力施加到该叠上，使所述牺牲薄片变形。本发明也提供了一种层合的反应器，它包括空隙，在工作过程中，所述空隙中不包含加工流体或热传递组分。
[0023]在另一个方面，本发明提供了整合的反应器，它包括:包括出口的第一通道；包括出口的第二通道；连接所述第一和第二通道的出口的第三通道；以及伸入(project)到所述第三通道的舌状物(tongue)，在工作过程中，所述第三通道使来自所述第一和第二通道的出口的流体发生偏转，并使这些流体以基本相同的方向流动。优选地，所述整合的反应器通过层合的薄片形成。
[0024]在另一个实例中，本发明提供了一种整合的反应器，它包括:通过U形弯管连接到逆流吸热产物通道的吸热反应室；以及通过U形弯管连接到逆流废气通道的放热反应室。
[0025]在还有一个方面，本发明提供了一种整合的反应器，它包括:通过U形弯管连接到逆流废气通道的燃料通道；以及装(nest)在所述燃料通道和废气通道之间的氧化剂通道。
[0026]在另一方面，本发明提供了一种整合的燃烧器，它包括由壁隔开的燃料通道和相邻的氧化剂通道；所述壁包括喷射孔。在一个实施方式中，所述壁包括非圆形的喷射孔。在另一个实施方式中，所述壁具有不均匀分布的喷射孔。
[0027]本发明也提供了一种层合的整合反应器，它包括一个放热反应室，所述放热反应室包括反应室壁和至少两个与所述反应室壁相邻的放热反应通道。例如，放热反应室可通过支撑性肋状物分成两个放热反应微通道。
[0028]在还有一个实施方式中，本发明提供了一种整合的燃烧系统，它包括:包括燃料出口侧面和燃烧侧面的层叠的整合燃烧器；以及位于所述燃料入口侧面上的至少两条连接管路(connection);相比所述入口侧面，所述燃烧侧面随着温度的上升能较自由的膨胀。所述连接管路通常是用于流体入口和出口的连接管路，但也可包括夹子或其他能限制所述ICR膨胀的装置。通常，两个侧面将ICR分成两个体积相同的侧面部分。
[0029]在还有一个实施方式中，本发明提供了一种层叠的ICR，它包括:包含第一片和第二片的层叠的片，所述第一片包括在该片的平面上，并延伸到所述第一片边缘上的第一开口(opening)的通道，所述第二片包括在该片的平面上，并延伸到所述第二片的边缘上的第二开口的通道；所述第一片的边缘和所述第二片的边缘位于所述层叠ICR的相同侧面上；一个连接所述第一和第二开口，包含一天管道和内部空间的歧管，所述管道选自废气管道、燃料管道、氧化剂管道、吸热反应试剂管道和吸热反应产物管道。
[0030]本发明还提供了一种整合的微通道反应器，它包括:放热反应微通道和与所述放热反应微通道相邻的吸热反应微通道，(任选地)氧化剂通道、废气通道和产物通道，而且，所述整合的微通道反应器制成具有至少两层放热反应层和至少两层吸热反应层的多层。另夕卜，所述反应器的特征是，每种类型的通道和微通道都有多个(多于I个)，并且包括2根或多、根歧管，所述歧管选自连接至少两个吸热反应微通道的歧管、连接至少两个放热反应微通道的歧管、连接至少两个氧化剂通道的歧管、连接至少两个废气通道的歧管、以及连接至少两个产物通道的歧管；这些歧管中的至少两个连接在沿着所述整合的反应器的不同长度部位。
[0031]在另一个方面，本发明提供了一种多区域的整合反应器，它包括:歧管区域、热交换区域和反应区域。优选地，这些区域沿着所述整合反应器的结构体线性排列。优选地，在所述热交换区域和反应区域之间有过渡区域，在那里流体流被分开，且再次混合。在一个优选的实施方式中，所述反应器包括部分氧化区域和燃烧区域。
[0032]本发明还提供了一种整合的反应器，它包括通过热交换区域和反应器区域的连接微通道。
[0033]在另一个方面，本发明提供了同时进行吸热和燃烧反应的方法，其中在燃烧室中燃烧之前，燃料先进行部分氧化。例如，烃可完全或部分转变成CO，且所述CO在所述燃烧室中燃烧。本发明也包括整合的反应器，所述反应器包括位于燃烧催化剂的上游的部分氧化催化剂，所述燃烧催化剂位于与吸热反应室相邻的燃烧室中。所述部分氧化催化剂优选位于燃料通道(或燃烧通道)中，可以是流体能穿过的催化剂形式，所述催化剂基本上占据所述通道的全部横截面，或者所述部分氧化催化剂可以是让该流体在旁流过的形式，所述催化剂在所述通道中留下整体流体流动的路径。
[0034]在还有一个方面，本发明提供了一种吸热反应催化剂插入物(优选分布在整合的反应器中)，它包括涂有催化活性金属的密集载体(如金属箔)。优选地，所述的密集载体包括多孔层，以提高所述活性金属的表面积。
[0035]在另一个方面，本发明提供了一种微通道反应器，它包括:具有第一长度的微通道；具有第二长度的相邻和重叠的第二微通道，所述第二长度由至少一个微通道限定；所述第二长度比所述第一长度短；位于所述第二微通道中的催化剂插入物。所述至少一个微通道壁防止所述催化剂插入物沿着更长的微通道滑动。
[0036]本发明也包括具有所述任何独特结构特征或设计的设备。例如，本发明包括具有放热和/或吸热反应通道的设备，所述反应通道与所述相应的产物通道成交叉流动的关系O[0037]本发明也包括使用任何设备、结构特征设计或系统的方法，或者其特征是上述任何性质或结果的方法。在有些优选的实施方式中，本发明由一系列不能由现有设备或方法得到的特征来限定；本发明的各个方面可由包括下述一个或多个的特征来限定:体积热通量、面积热通量、穿过放热或吸热反应通道的压力降、接触时间、在所述燃烧废气中的NOx或CO含量、热效率、低过量空气、燃烧转化率、平衡吸热反应的程度、转化百分数、产物选择性、热分布(prof i I e )、燃料组成、流体重整反应中的流体与碳之比、焦炭形成的量、在给定流体重整压力的性能、吸热和放热反应通道之间的压力差、操作性能和时间的函数关系。这些以及其他特征的水平可参见详细描述和实施例部分。
[0038]在优选的实施方式中，本发明的各个方面为组合起来，例如，在一个优选的实施方式中，本发明的方法的特征是接触时间和平衡吸热反应的程度。
[0039]本发明的各种实施方式可具有如下优点:低的压力降、对于过量空气的低要求、高燃烧稳定性、对于吸热和/或放热反应的短接触时间、低CO和/或NOx形成、接近化学计量的空气原料操作、更高的安全性、以及高的热循环耐用性。使用接近化学计量的空气原料进行工作降低了对于系统空气鼓风机或压缩机的整体负荷，从而明显降低了成本。[0040]通过降低引发所述吸热反应所需的燃烧温度(或放热反应的温度)的其他优点是可使用替代的金属或冶金技术(metallurgy),这样就可得到更低成本的材料或更长的设备寿命。
[0041]尽管所述燃烧可具有均相或非均相的贡献，但是在微通道(或最小开口尺寸小于或稍微大于淬冷直径的通道)中进行催化燃烧可降低均相反应的贡献，而有助于非均相(催化)燃烧。这也可通过减少气相反应来进一步提高安全性，否则气相反应可能会使所述燃烧混合物明显高于材料的完全工作温度限制。随着通道最小尺寸的降低，以及随着催化表面积的提高，对于气相燃烧的抑制就越强。
[0042]在还有一个方面，本发明涉及在整合燃烧反应中进行吸热反应的方法，它包括:将吸热反应组合物送入至少一个吸热反应室中，并在所述吸热反应室中进行吸热反应，并且将燃料和氧化剂送入至少一个放热反应室中，并在所述放热反应室中进行放热反应，其中有至少一个与所述至少一个吸热反应室相邻的放热反应室壁，所述至少一个吸热反应室包括与至少一个吸热反应室壁接触的吸热反应催化剂，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻。
[0043]而且，本发明涉及同时进行吸热和放热反应的整合反应器，它包括:至少一个吸热反应室，和至少一个放热反应室，其中有至少一个与所述至少一个吸热反应室相邻的放热反应室的壁，所述至少一个吸热反应室包括与至少一个吸热反应室壁相邻的吸热反应催化齐?，所述吸热反应室壁与至少一个放热反应室相邻，根据热通量测试#1、或热通量测试#2、或热通量测试#3测得，所述反应器具有热通量能力。
[0044]根据本发明的一个方面，可得到下述特征中的至少一个:(1)所述燃料和氧化剂在放热反应室中的接触时间为20ms或更短，热量以至少5W/cm2的速率(以所述吸热反应室的内部面积计)从至少一个放热反应室传导到至少一个吸热反应室；或者(ii)所述燃料和氧化剂在所述放热反应室中的接触时间为IOOms或更短，所述氧化剂的含量为完全氧化所述燃料所需的量基础上过量50%或更少，所述燃料和空气转变成燃烧产物，所述燃烧产物包括小于2500ppm的CO ;或者(iii)所述燃料和氧化剂在所述放热反应室中的接触时间为IOOms或更短，所述氧化剂的含量为完全氧化所述燃料所需的量基础上过量50%或更少，所述燃料和空气转化成燃烧产物，所述燃烧产物包括小于IOOppm的CO。
[0045]术语表、计算和测试方法
[0046]“薄片”指基本上平的板或片，它可具有任意的宽度和高度，优选其厚度(最小的尺寸)为2毫米(mm)或更小，在有些优选的实施方式中，其厚度为50 — 500微米。
[0047]“单元操作”指化学反应、蒸发、压缩、化学分离、蒸馏、浓缩、加热、或冷却。尽管混合和输送通常随着单元操作而发生，但是“单元操作”并不意味着仅仅进行混合或流体输送。
[0048]“微通道”指至少一个内部尺寸为2毫米或更小的通道。
[0049]“敞开通道”是至少0.05毫米的间隙，它沿着所有穿过反应室的路径延伸，这样气体就可通过具有较低压力降的反应室流动。
[0050]“ICR”指整合的燃烧器，它包括至少一个与至少一个吸热反应通道相邻的燃烧通道。
[0051]在优选实施方式的工作过程中，反应试剂以整体流动途径进入燃烧或反应室，流过并接触“多孔材料”或“多孔催化剂”。在这些实施方式中，一部分反应试剂以分子形式横向分散到所述多孔催化剂中，并进行反应形成产物，接着所述产物横向分散到所述整体流动途径中，然后流出所述反应器。
[0052]属于“整体流动区域”或“整体流动途径”指包含在所述反应室中的敞开区域或敞开通道。具有整体流动途径(或区域)的反应室可包含催化剂，并且在所述催化剂表面和反应室壁或第二催化剂表面之间有间隙。相邻的成批流动区域使气体快速流过所述反应室，且没有大的压力降。在优选的实施方式中，在所述成批流动区域中有层状的流体。包含在反应室中的成批流动区域的截面积优选为5 X 10_8 -1 X 10_2米2，更优选5 X IO-7 一 I X 10_4米2。所述成批流动区域优选包括至少5%，更优选30 — 80%的I)所述反应室内部体积，或者2)所述反应室的截面积。
[0053]“平衡转化率”定义为一种经典的方式，其中最大可得到的转化率是所述反应器温度、压力和原料组成的函数。对于烃流体重整反应的情况，所述平衡转化率随着温度的提高而提高，随着压力的提高而下降。
[0054]“反应室体积”是反应室(放热或吸热)的内部体积。该体积包括所述反应室体积内的催化剂的体积、敞开流动体积(如果存在的话)和金属支撑性肋状物或鳍状物(如果存在的话)。该体积并不包括所述反应室壁。所述反应室体积必须包含在其截面内某处的催化齐U，并且必须直接与用于热传递的另一个反应室相邻。例如，由2厘米X 2厘米X0.1厘米催化剂和2厘米X 2厘米X0.2厘米敞开体积(供相邻于催化剂的流动所用)组成的反应室的总体积为1.2厘米3。如果将相同的催化剂分成两部分或在每个通道中包含催化剂体积为I厘米X 2厘米X 0.1厘米(每0.2厘米3有2体积)的通道，且邻近每个催化剂有I厘米X2厘米X0.2厘米(每0.4厘米3的2体积)的敞开空间，如果在两个催化剂通道之间有0.1厘米X2厘米X0.3厘米(0.06米3)的金属肋状物或间隔，如果有相反类型的相邻反应室(即放热反应室与吸热反应室相邻)，那么总反应器体积设定为1.26厘米3。该体积可用来计算吸热反应室体积热通量、面积热通量和吸热反应接触时间。
[0055]“反应器芯体积”定义为反应室体积和所有的燃烧室体积和隔开所述两个室的金属网状物(web)。所述燃烧室体积定义为所述室体积，其中进行了所述放热反应，并与所述反应室体积接近。周边(perimeter)金属不包括在反应器芯体积中。
[0056]例如，包含2厘米X 2厘米X0.3厘米的反应室体积和2厘米X 2厘米X0.2厘米的燃烧室体积和2厘米X2厘米X0.1厘米的分隔网状物的反应器的总反应器芯体积为2.4厘米3。
[0057]所述反应器芯体积不包含任何预热的交换区域体积，它可能或可能不连接到所述反应器芯体积上。所述预热的交换区域可连接于所述反应器上，但不包含沿着垂直于流动方向分割所述设备的任何平面内的吸热反应催化剂。
[0058]“吸热反应室热通量”定义为吸热反应热负荷除以所述反应器芯体积。
[0059]“反应器芯体积热通量”定义为吸热反应热负荷除以所述反应器芯体积。
[0060]“热交换器通量”定义为传导到所述冷流体上的总热量除以热交换芯体积。
[0061]“热交换器芯体积”定义为包括微通道、微通道之间肋状物和用于所有的流体传热的分隔微通道的壁的总热交换器体积。所述热交换器体积包括本文和所附附图中所述的热交换区域。所述热交换器芯体积不包括周边金属或歧管或顶部。所述热交换器芯体积不包括所述吸热反应室，也不包括包含在任何平面内的任何体积，所述平面在垂直于流动方向分割所述吸热反应室。
[0062]“平均面积热通量”定义为吸热反应热负荷除以吸热反应室热传递表面的面积。所述吸热反应热传递表面限定为一个平面区域，在所述吸热反应室中有肋状物或其他结构体时，它可以是间断的，在该平面区域上面有使反应试剂流动的区域，且在其下面有分隔所述吸热反应室和所述放热反应室的壁。该区域是用于从所述放热反应室将热传递到所述吸热反应室的路径。
[0063]“网状物”定义为分隔吸热反应室和放热反应室的壁。
[0064]当测试所选择的设备时，NOx测量由废气流组成。在50%过量空气条件下测量NOx (以ppm为单位)浓度(燃烧流体足以保持在至少850°C的燃烧室温度)本文称为“标准NOx测试”。测得的值可与在常规甲烷流体重整器中超过IOOppm的NOx含量比较。
[0065]“表观平衡转化温度”是在所测的平均加工压力下，基于甲烷转化率(或更通常是烃转化率)或形成的平衡甲烷转化率等于所测的甲烷转化率的表观温度。平均加工压力假定为所测的入口和出口压力的平均值。使用NASALEWIS热力学平衡模式或ChemCAD计算平衡气体的组成。甲烷的转化率由干燥产物气体组成计算，所述干燥产物气体组成由下述方程的气相色谱测得:
[0066]
【权利要求】
1.一种同时进行放热反应和吸热反应的方法，所述方法包括: 将燃料输入第一微通道燃烧反应室； 将氧化剂加入到燃烧室中使得氧化剂氧化燃料，且燃烧室中的温度沿所述燃烧室的前部到后部上升； 在吸热反应室中提供吸热反应组合物，所述吸热反应室与所述燃烧室相邻，其中吸热反应室和燃烧室由导热壁分隔； 其中所述吸热反应组合物进行吸热反应形成产物； 所述燃烧室中的温度从燃烧室的前部到后部基本上单调上升。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放热反应室包括体积流体通道和放热反应催化剂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂通过喷射进入放热反应室，且燃烧催化剂上流动，所述燃烧催化剂置于与吸热反应室相邻的反应室壁上。
4.一种同时进行吸热和反应反应的整合的反应器，所述反应器包括: 至少一个吸热反 应室， 至少一个放热反应室， 其中至少一个导热的放热反应室的壁与至少一个吸热反应室相邻， 所述至少一个吸热反应室中包括与至少一个吸热反应室的壁接触的吸热反应催化剂，所述至少一个吸热反应室的壁与至少一个放热反应室相邻， 所述整合的反应器具有一个自由端和非自由端；所述非自由端包括用于燃料入口和氧化剂入口的连接管路和用于废气出口的连接管路。
5.如权利要求4所述的反应器，其特征在于，所述吸热反应室包括U形弯管，在工作过程中，所述吸热反应组合物在第一方向流过所述吸热反应室，同时形成产物，所述产物流过U形弯管，且以第二方向流动，所述第二方向与第一方向相反。
6.一种整合的反应器，所述反应器包括: 内有放热反应催化剂的放热反应微通道； 与所述放热反应微通道相邻且内有吸热反应催化剂的吸热反应微通道，所述吸热反应催化剂在流动方向上的长度至少10厘米； 分隔所述放热反应催化剂和吸热反应催化剂的壁。
7.如权利要求6所述的整合的反应器，其特征在于，所述吸热反应微通道的高度为0.5mm或更低，所述高度指垂直于流动方向的尺寸，它定义了从所述吸热反应微通道的中心到所述燃烧微通道的最短距离。
8.如权利要求6所述的整合的反应器，其特征在于，限定所述燃烧微通道的至少一个壁上有小孔，所述小孔连接所述燃烧微通道和相邻空气通道之间的气流。
9.一种整合的反应器，所述反应器包括:一叠至少两个微通道，其中至少两个微通道中的至少一个包括可拆除的催化剂插入物和催化剂门。
10.一种启动整合的反应器的方法，其中所述整合的燃烧器包括:内有放热反应催化剂的放热反应室；与所述放热反应室相邻且内有吸热反应催化剂的吸热反应室；分隔所述放热反应室和吸热反应室的壁， 所述方法包括:在所述放热反应室中加入燃烧燃料并燃烧所述燃料，以不超过5°C /分钟的速率提高吸热反应室的温度；以及 向所述吸热反应室中加入H2，并还原所述吸热反应催化剂。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述吸热反应微通道的高度为0.5_或更低，所述高度指垂直于流动方向的尺寸，它定义了从所述吸热反应微通道的中心到所述燃烧微通道的最短距离。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述吸热反应催化剂是流体甲烷重整催化剂，所述催化剂 在约120-150°C的温度还原。
【文档编号】B01J19/00GK103920439SQ201410058439
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2003年8月4日 优先权日:2002年8月15日
【发明者】D·裘, M·B·施米特, S·T·佩里, S·P·费茨杰拉尔德, D·J·赫西, N·P·加诺, R·Q·龙, W·A·罗杰斯, R·阿罗拉, T·D·尤斯查克, T·福特, J·A·莫那汉, R·杰特, W·W·西蒙斯, B·L·杨, D·J·库尔曼, Y·王, R·J·卢森斯基, G·B·查德威尔, Y·彭, J·A·马西亚斯, A·L·同克维齐, G·罗伯茨, P·W·尼格尔 申请人:维罗西股份有限公司