[发明专利]具有集成的热交换器的化学反应器

说明书

公开了一种将压力容器、热交换器、加热器和催化剂支持器组合入单个装置的化学反应器。本文所述的化学反应器降低了反应器的成本并且降低了其寄生热损失。公开的化学反应器适用于氨(NH₃)合成。

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年11月25日提交的美国临时专利申请序列号62/590,570的优先权和权益。美国临时专利申请序列号62/590,570在此通过引用以其全部并入本文。

技术领域

本公开内容涉及将热交换器、加热器和催化剂支持器(catalyst holder)集成入单件设备的化学反应器设计。在一些实施方案中，本文公开的化学反应器适用于氨(NH₃)合成。

背景技术

由二氧化碳(CO₂)的人为排放驱动的气候变化对持续的经济发展和安全造成的威胁是本领域技术人员熟知的。为了应对这种威胁，发达国家和发展中国家均高度寻求基本上没有CO₂排放的能源。虽然已经广泛开发了几种无CO₂的能量生成选择(例如风能、太阳能、水电和核电)，但是目前没有包括可实行的无CO₂的燃料。

氨(NH₃)可以根据以下反应式(1)作为燃料燃烧：

4NH₃(g)+3O₂→2N₂+6H₂O(g)+热 (1)

原则上，如果将NH₃热重整为氢气和氮气，那么NH₃可以被直接用作无CO₂的燃料或用作储氢(hydrogen storage)介质。然而，几乎所有当前的NH₃生产方法均使用产生CO₂的原料和燃料。

生产氨的主要工业过程是在以下反应式(2)中示例的哈伯-博施(Haber-Bosch)方法：

N₂(g)+3H₂(g)→2NH₃(g)(△H＝-92.2kJ/mol) (2)

在2005年，每生产1吨NH₃，哈伯-博施氨合成产生平均大约2.1吨CO₂；大约三分之二的CO₂产生来自烃的蒸汽重整(steam reforming)以生产氢气，而剩余的三分之一来自烃燃料燃烧以给合成工厂提供能量。到2005年，大约75％的哈伯-博施NH₃工厂使用天然气作为进料和燃料，而剩余的使用煤或石油。哈伯-博施NH₃合成消耗了全球天然气产量的大约3％至5％以及全球能量产量的大约1％至2％。

哈伯-博施反应通常在含有氧化铁或钌催化剂的反应器中在大约300℃和大约550℃之间的温度并且在大约90巴(bar)和大约180巴之间的压力下进行。需要升高的温度以实现合理的反应速率。由于NH₃合成的放热性质，升高的温度驱动平衡朝向反应物，但是这被高压抵消。在商业生产中，来自氨合成的废热促进通过蒸汽重整天然气的制氢。