具有内部气体混合的离心鼓风机系统和包括其的气相化学反应器的制作方法

背景技术：

本发明涉及离心鼓风机并且涉及包括其的化学反应器。

离心鼓风机或离心风扇是用于提供气态介质的流动或运动的公知类型的装置。常规类型的离心鼓风机包括具有轴向气体进口和径向气体出口的外壳、布置在外壳内的用于将气体以第一压力抽吸到进口中并且将气体以较高的第二压力通过出口排出的叶轮、和用于驱动(即旋转(快速旋转，spin))叶轮的马达。该常见类型的离心鼓风机的变型公开于例如美国专利no.4,917,572；5,839,879；6,877,954；7,061,758；7,351,031；7,887,290；7,891,942以及u.s.2006/0051203中，其全部内容通过引用并入本文。

以上述及的常见类型的离心鼓风机作为多种类型的气相化学反应器的组件已经被公开，所述气相化学反应器包括重整器(用于将液体和气态能重整的燃料转化为富氢产物的装置)、燃料电池(用于将重整器的可电化学氧化的燃料例如富氢产物电化学转化为电和潜在有用的可回收热的装置)、集成的重整器-燃料电池系统、用于气相烯烃聚合的流化床反应器、催化燃烧室、气-液循环气体水合反应器、气相氧化反应器和水煤气变换反应器，在所述反应器中鼓风机实施对于它们的运转极其重要的气体驱动操作。例如，在部分氧化重整器的情形中，通常采用离心鼓风机将含氧气体例如空气的流体供应到混合区，在该混合区中所述气体和气态或气化的能重整的液体燃料组合以形成气态部分氧化的反应混合物。相同的离心鼓风机还驱动气态反应混合物进入到其中所述混合物经历转化为富氢的重整产物的气相部分氧化反应区中，并且由其得到重整产物产品。

dewald等人的us2012/0328969(其全部内容通过引用并入本文)描述了一种鼓风机系统，其包括一系列互连的、可独立控制的离心鼓风机单元，其中来自所述系列中的鼓风机的径向出口的气态排放物经由连接两个鼓风机单元的管道引入到所述系列中的另一鼓风机单元的轴向进口中。

相比于常规且以其它方式已知的单离心鼓风机例如以上提到的那些，us2012/0328969的离心鼓风机系统拥有若干优势，特别是在响应于连接该鼓风机的气相化学反应器频繁地改变气体流量的需要而作出快速且准确的气体流量调整的能力方面，例如，如在finnerty等人的美国专利申请no.14/533702和14/533803(两者均于2014年11月5日提交)以及no.14/534345和14/534409(两者均于2014年6月11日提交)中公开的重整器和集成的重整器和燃料电池组装体中，这些专利的全部内容通过引用并入本文。

在用于驱动气态反应物混合物进入化学反应器的气相反应区中、在化学反应器的气相反应区内驱动气态反应物混合物和从化学反应器的气相反应区驱动气态反应物混合物的已知且常规的离心鼓风机中，鼓风机提供第一反应物气体流，其与鼓风机外部的第二反应物气体流组合以提供气态反应混合物，然后将其引入到反应区。为了比简单地通过在两股气体物流(气流，gasstream)汇合时出现的湍流混合可预期发生的更加充分地混合第一和第二气体，可采用混合装置例如静态或电力驱动的混合器实现该目的。然而，用这样的混合装置可实现的混合度尽管相比于湍流混合得到改善，但是可能仍然远不足于最佳(特别是在静态混合器的情形中)、引入进一步的结构上的复杂度(特别是在电力驱动的混合器的情形中)和不管怎样可导致不期望的背压水平。

因此，对于这样的用于驱动气态混合物的离心鼓风机或离心鼓风机系统存在需求：其避免使用外部混合装置而提供比通过单独的湍流混合可实现的更均匀的两种或更多种气体的混合物。

技术实现要素：

按照本发明，提供了用于驱动气态流动物(气流，gaseousflow)的离心鼓风机系统，该离心鼓风机系统包括：

a)一系列鼓风机单元，在所述系列中的各鼓风机单元包括具有轴向进口和径向出口的壳体、布置在所述壳体内的用于将气态介质以第一压力抽吸到轴向进口中并且将气态介质以较高的第二压力通过所述径向出口排出的叶轮、和用于驱动叶轮的马达；

b)管道，其具有连接至所述系列中的鼓风机单元的径向出口的第一端部、连接至所述系列中的另一鼓风机单元的轴向进口的第二端部和限定内部气体流动通道的气体流动约束壁；和，

c)用于允许气态介质进入到管道(b)的气体流动通道的气体流动进口，所述气体流动进口被限定在管道(b)的气体流动约束壁中或连接至管道(b)的气体流动约束壁。

气体流动进口(c)的设置容许在本文的离心鼓风机系统内基本均匀地混合单独的(分开的，separate)气体物流，相比于类似的但是缺少气体流动进口(c)的离心鼓风机系统，配置(装置，arrangement)呈现若干个重要的优势。在前者的情形中并且相比于后者，单独的气体物流在本教导的鼓风机系统内的混合成为在鼓风机出口下游的冗余气体的混合手段，从而简化了可连接鼓风机出口的结构体。另外，本文中的离心鼓风机系统在省去(dispend)外部气体混合手段(其可产生不期望的在气体流动利用装置例如气相化学反应器内的背压增加)的情况下消除了可妨碍自由气态流动物的气流障碍的来源。

从以下的详细描述和附图中，本文中具有其内部混合单独的气体物流的能力的离心鼓风机系统的和本文中包括这样的驱动气态流动物的离心鼓风机系统的气相化学反应器的这些和其它新颖的特征和优势将变得更明显。

附图说明

应理解，下述的图只是用于说明的意图。所述图不一定是成比例的，其中重点通常放在说明本教导的原理上。所述图不旨在以任何方式限制本教导的范围。相同的数字通常是指相同的部件。

图1a为根据本教导的离心鼓风机系统的双鼓风机实施方式的透视图，所述鼓风机以0°气体流动构造显示，其中切开其互连管道组件的截面(部分，section)以揭示其管道进口的部分和其第二鼓风机单元的叶轮。

图1b为1a的离心鼓风机系统的平面图。

图1c和1d分别是图1a和1b的离心鼓风机系统的透视截面图和纵视截面图。

图2为用于控制根据本教导的离心鼓风机系统、例如图1a-1d中说明的离心鼓风机系统的运转的鼓风机控制系统的示意性图示。

图3为图2的鼓风机控制系统的逻辑流程图。

图4为根据本教导的化学反应器、特别是其中包括用于在其中引入和驱动气流的多鼓风机-型离心鼓风机系统的集成的气态燃料催化部分氧化重整器和固体氧化物燃料电池组装体的示意性图示。

具体实施方式

应理解，本文中现有教导不受限于所描述的特定的步骤、材料和变型，并且因此可变化。还应理解，所使用的术语只是为了描述特定实施方式的意图，并且不旨在限制本教导的范围，该范围将仅由所附的权利要求书限定。

在整个说明书和权利要求书中，在将结构体、装置、设备、组合物等描述成具有、包括或包含具体组件的情况下，或者在将方法描述成具有、包括或包含具体方法步骤的情况下，预期到这样的结构体、装置、设备、组合物等还基本上由述及的组件组成或由述及的组件组成，并且这样的方法还基本上由述及的方法步骤组成或由述及的方法步骤组成。

在说明书和权利要求书中，在元件或组件说成是包括于和/或选自述及的元件或组件的列表，应理解该元件或组件可为述及的元件或组件的任一个，或该元件或组件可选自述及的元件或组件的两个或更多个。此外，应理解，本文描述的结构体、装置、设备或组合物或方法的元件和/或特征可以多种方式进行组合而不偏离本教导的焦点和范围，不管其在本文中是明确的或暗含的。例如，在提到特定的结构体的情况下，该结构体可在本教导的设备和/或方法的多种实施方式中使用。

术语“包括(include)”、“包括(includes)”“包括(including)”、“具有(have)”、“具有(has)”、“具有(having)”、“包含(contain)”、“包含(contains)”、或“包含(containing)”(包括其语法等同物)的使用应该通常理解为开放式并且非限制性的，例如不排除另外未述及的元件或步骤，除非另外特别地指出的或根据上下文理解的。

本文中单数例如“一个(一种，a)”、“一个(一种，an)”和“这个(这种，the)”的使用包括复数(并且反之亦然)，除非另外特别指出。

在措辞“约”用在数量值之前的情况下，本教导还包括具体的数量值本身，除非另外特别指出。正如本文使用的，措辞“约”是指与标称值相差±10％，除非另外指明或意指。

应理解，步骤的顺序或进行某些动作的顺序是非本质的(不重要的)，只要本教导仍然是可操作的。例如，本文描述的方法可以任何合适的顺序进行，除非本文另外指明或另外与上下文明显相矛盾。而且，除非步骤由于其本性(nature)必须顺序进行，它们可同时进行。

在本说明书中的多处，数值作为值的范围公开。本文公开的数值范围特别旨在包括该范围内的每个范围和每个值以及其任何子范围。例如，0-20范围的数值明确地旨在分别公开0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20及其任何子范围，例如0-10、8-16、16-20等。

本文中提供的任何和所有的实例或示例性语言例如“如”的使用仅旨在更好地对本教导进行说明，并且不对本发明的范围施加限制，除非被权利要求要求。说明书中的语言不应该解释为表示任何未被权利要求要求的要素对于本教导的实践是必要的。

表明空间取向或方位(姿态，attitude)的术语和表述例如“较高”、“较低”、“上部”、“底部”、“水平”、“竖直”等在本文中应理解为不具有结构、功能或操作上的重要性并且仅反映本教导在某些附图中说明的液体燃料cpox重整器的多个视图的任意选择的取向，除非其上下文的用法另外指出。

本文使用的表述“重整器”应理解为指代其中使重整反应气态混合物经历气相重整反应以产生富氢重整产物的特定类型的化学反应器。

表述“能重整的液体燃料”应理解为包括在标准温度和压力(stp)条件下为液体的可重整的含碳-和氢-的燃料，例如甲醇、乙醇、石脑油、馏出物、汽油、煤油、喷气发动机燃料、柴油(diesel)、生物柴油等，其当进行重整时经历转化为富氢重整产物。表述“能重整的液体燃料”应该还理解为包括这样的燃料即蒸气，不管它们处于液态或处于气态。

表述“能重整的气态燃料”应该理解为包括在stp条件下为气体的能重整的含碳和氢的燃料，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、异丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、异丁烯、二甲醚、其混合物(例如主要为甲烷的天然气和液化天然气(lng))、以及主要为丙烷或丁烷但是包括大部分由丙烷和丁烷构成的所有混合物的石油气和液化石油气(lpg)、等，其当进行重整时经历转化为富氢重整产物。

表述“重整反应”应理解为包括在能重整的燃料重整或转化为富氢重整产物期间发生的反应。

表述“重整反应气态混合物”是指包括气化的能重整的液体燃料、能重整的气态燃料或其组合、氧化剂例如以空气供应的氧气和用于蒸汽或自热重整的蒸汽的混合物。

本文使用的表述“燃料电池”应理解为指代其中使可电化学氧化的燃料和氧化剂经历电化学反应以产生氧化的气体和电流流动的装置。

本发明的多级鼓风机型离心鼓风机系统可操纵多种气相化学反应器的气体流量要求，所述气相化学反应器包括例如前述的重整器、集成的重整器-燃料电池系统、用于气相烯烃聚合的流化床反应器、催化燃烧室、气-液循环气体水合反应器、气相氧化反应器和水煤气变换反应器。更特别地，图4说明使用本发明的多级鼓风机型离心鼓风机系统向任何集成的气态燃料cpox重整器和燃料电池系统的气态燃料cpox重整器部分(section)提供气态燃料和空气催化部分氧化(cpox)反应混合物。

参考图1a-1d，在根据本教导的离心鼓风机系统的一个实施方式中，双离心鼓风机系统100包括第一离心鼓风机单元101，其通过具有密封内部气体流动通道119的气体流动约束壁118和允许气体进入到气体流动通道中的气体进口或端口115的管道103连接至第二离心鼓风机单元102。

第一鼓风机单元101包括具有轴向进口105、连接至管道103的第一端部的径向出口106的壳体104、布置在壳体104内的用于将第一气态介质以第一压力抽吸到轴向进口105中并且将气态介质以较高的第二压力通过径向出口106排出到管道103的气体流动通道119中的叶轮107、和用于驱动叶轮107的电动马达108。

第二鼓风机单元102包括壳体109和如图1a中由管道103的切掉部分所示的布置在壳体109内且由电动马达111驱动的叶轮110、连接至管道103的第二端部用于接收在气体流动通道119内流动的第一和第二气态介质的轴向进口112、和将第一和第二气态介质的到那时(by-then)的均匀混合物通过其排出到任选的气体物流外壳114中并且从其排放的径向出口113。

第二气态介质通过进口115以至少比将第一气态介质从第一鼓风机101排放到管道103中的压力稍高的压力引入到管道103的气体流动通道119。第一和第二气态介质将在管道103内经历一定的初始混合，其程度将取决于由所述两股气体物流的汇合所导致的湍流的程度。管道103内的第一和第二气态介质的该初始混合物然后进入其中进行充分混合的第二鼓风机单元102，基本均匀的气体混合物然后从气体物流外壳114排放并且输送到需要的地方。

进口115可例如作为一个或多个孔(aperture)设置在管道103的壁中或它可延伸超出所述壁从而将第二气态介质进一步引入管道103的气体流动通道119内、例如在此处气流的中心处或附近。在后一实施方式的情形中，进口115的延伸到气体流动通道中的部分可设置有流线型的横截面以使湍流最小化。进口115的延伸到管道103的气体流动通道中的部分可以任何合适的方向和/或方位例如有利于更平行的且因此较少湍流的单独气流汇合的方向和/或方位来取向。

本教导还预期用于允许一种或多种另外的单独气体进入管道103中的不止一个进口115，例如，气化的能重整的液体燃料和/或能重整的气态燃料通过一个这样的进口并且蒸汽通过另一个这样的进口，从而提供用于在自热重整(atr)反应器和/或蒸汽重整(sr)反应器中转化为富氢重整产物的空气+燃料+蒸汽重整反应混合物。

在前述的第一和第二气体能够在电火花的存在下彼此反应和/或形成可通过电火花点燃或引爆的爆炸性混合物，例如空气和气态燃料重整混合物，驱动第二鼓风机单元102中的叶轮110的电动马达可有利地为防爆或气密类型的(其多种为常规的或以其他方式已知的)，由此使过早反应或爆炸性引爆的风险最小化。替代地且如图1d中所示，马达116可布置在第二鼓风机单元102的壳体109的外部且通过适当长度的轴117连接至叶轮110，这样的配置使火花引发的化学反应或爆炸性引爆的风险最小化。

作为离心鼓风机系统100运转的实例，抽吸到第一鼓风机单元101中的作为第一气体的空气和通过进口115引入到管道103中的作为第二气体或气体混合物的甲烷、丙烷、丁烷、天然气、其混合物等最初在管道103的气体流动通道119内彼此汇合，且之后进入第二鼓风机单元102，其中所述气体更充分地混合在一起以提供高度均匀的重整反应混合物。该反应混合物然后输送到其中它被转化为富氢重整产物气体的重整器，例如，如由图4中所示的集成的气态燃料cpox重整器和燃料电池系统400的cpox重整器部分401所说明的。

图1a和1b的箭头指明气体物流通过构成离心鼓风机系统100的鼓风机系列中的各鼓风机单元的径向出口的通常方向。正如例如图1b中所示，通过第一鼓风机单元101的出口106排出的气体物流的流动和通过第二鼓风机单元102的出口113排出的气体物流的流动不平行于它们各自的出口而是与其成一定的角度。通过以使得该物流保持与管道的内壁几乎平行这样的方式配置管道103的几何形状以用于接收通过出口106排放的气体物流，可防止或减少湍流，否则湍流会在该物流撞击到这些壁上时发生。有利地，使湍流最小化或加以避免，以减少或消除它作为鼓风机系统中的背压来源。出于该相同的原因，有利的是，配置气体物流外壳114的角度使得其内壁将和通过第二鼓风机单元102的出口113排放的气体物流的流动几乎平行。对于给定的气体鼓风机系统，管道103的内壁相对于其气体物流的流动的最佳几何形状和气体物流外壳114的偏斜角可使用常规实验方法容易地测定。在图1a-1d中所示的气体鼓风机系统中，管道103的内部或导向表面和气体物流外壳114的内部或导向表面可相对于出口106和111以12°-20°、和优选地14°-18°的角度α倾斜。

在本发明的离心鼓风机系统中使用的特定鼓风机单元的尺寸、电压、功率消耗(powerdraw)、叶轮速度、空气流量、噪声水平以及其它特性取决于连接其的气相化学反应器的气体压力和气体流量要求可变化很大。

图2和3分别说明本发明的离心鼓风机系统的鼓风机控制系统和其控制逻辑的示意性图示。本领域技术人员将认识到，这些鼓风机控制操作可通过适当编程的微处理器实施。

如图4中所示，集成的气态燃料cpox重整器-燃料电池系统400包括耦接到燃料电池部分428的气态燃料cpox重整器部分401。重整器部分401包括用于将空气和气态燃料的混合物引入到导管403中并且用于驱动其和其它气流(包括气态燃料-空气的混合物和富氢重整产物)通过重整器和燃料电池部分的多个气体流动通道的两个互连的离心鼓风机系统402，例如，如图1a-1d中说明的。导管403可包括流量计404和热电偶405。这些装置和类似的装置可放置在气态燃料cpox重整器部分和燃料电池部分内的多个位置处以测量、监测和控制集成的重整器-燃料电池系统400的运转。

在集成的气态燃料cpox重整器-燃料电池系统400的运转的启动模式下，环境温度下的空气和丙烷的混合物通过离心鼓风机系统402引入到导管403中。丙烷经由装备有任选的热电偶415、流量计416和流量控制阀417的燃料线路414以相对低的压力从气态燃料储存罐413通过进口406抽吸到离心鼓风机系统402的连接管道403中。空气和丙烷在离心鼓风机系统402内充分混合，之后从其中排放气体混合物并且进入导管403。基本均一的丙烷-空气混合物(气态cpox反应混合物)进入歧管或压力通风系统(高压间，plenum)420，其起到使反应混合物更均匀地分布到管式cpox反应器单元409中的作用。

在cpox重整器部分401运转的启动模式下，点火器423引发管式cpox反应器单元409的cpox反应区域410内的气态cpox反应混合物的cpox反应，从而开始产生富氢重整产物。一旦已经达到稳态cpox反应的温度(例如240℃-1,100℃)，则反应变成自持的并且可中断点火器的操作。将热电偶425安置在一个或多个cpox反应区域410附近以监测在cpox反应器单元409内发生的cpox反应的温度。所述温度测量可作为监测参数传递到重整器控制系统426。

重整器部分401还可包括电流源例如可充电的锂离子蓄电池系统427，以便例如在集成的重整器-燃料电池系统400的运转的启动模式期间为其电驱动的组件例如离心鼓风机系统402、流量计404、流量控制阀417、点火器423供电，并且如果期望，以储存例如在稳态运转期间由燃料电池部分428产生的剩余的电能用于后续使用。

燃料电池部分428包括燃料电池堆429、后燃器或尾气燃烧器432、离心鼓风机系统430、以及任选的用于向控制系统426提供温度和压力测量输入的热电偶433和流量计434，所述离心鼓风机系统430用于将通过歧管431均匀分布的空气引入到燃料电池堆429的阴极侧以支持燃料在其中电化学转化为电和引入到后燃器432以支持尾气在其中燃烧。气态cpox重整器部分401中产生的富氢重整产物进入燃料电池堆429并且在其中经历电化学转化而变成电和作为气态流出物的副产物水(蒸汽)和二氧化碳。来自燃料电池堆429的气态流出物或尾气可包含可燃性气体，例如烃、未消耗的氢气和/或其它电化学可氧化的气体例如一氧化碳，它们然后进入后燃器432，在其中利用由离心鼓风机系统430提供的空气将它们燃烧成水(蒸汽)和二氧化碳。如果期望，可回收来自后燃器432的热的气体废弃物(exhaust)中包含的热量并且将其用于加热一个或多个流体流，例如使水变成蒸汽以在atr和/或sr重整中使用。

尽管为了说明的意图已经对本发明进行了详细描述，但是应理解这些详细描述只是为了所述意图，并且在不偏离在权利要求书中限定的本发明的精神和范围的情况下本领域技术人员可在其中进行改变。