BRPI0810937B1

BRPI0810937B1 - Reformador de vapor alta e termicamente integrado e combinado para a produção de hidrogênio a partir de uma fonte de combustível e uma montagem de reformador de vapor/câmara de combustão para uso em um sistema de processamento de combustível

Info

Publication number: BRPI0810937B1
Application number: BRPI0810937-0A
Authority: BR
Inventors: Xenophon Verykios; Dimitrios K. Lygouras
Original assignee: Helbio S.A. Hydrogen And Energy Production Systems
Priority date: 2007-05-25
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2019-04-16
Also published as: GR1006128B; WO2008146052A1; EP2170766A1; EA200901371A1; BRPI0810937A2; CA2685299A1; US20100178219A1

Abstract

reformador de vapor alta e termicamente integrado e combinado para a produção de hidrogênio a partir de uma fonte de combustível e reformador de vapor/câmara de combustão para uso em um sistema de processamento de combustível, descreve-se, aqui, um reformador de vapor integrado/câmara de combustão a qual pode ser usada em um processador de combustível para a produção de hidrogênio a partir de uma fonte de combustível; o reformador de vapor compreende uma seção de reforma e uma seção de combustão separada por uma parede; o catalisador capaz de induzir as reações de reforma é revestido em uma parede diante da seção de reforma; o catalisador capaz de induzir as reações de combustão é revestido em uma parede diante da seção de combustão; é fornecida uma mistura de combustível e vapor para a seção de reforma onde é reformada para produzir hidrogênio; uma mistura de combustível e ar é fornecida para a seção de combustão onde sofre combustão para fornecer o calor ao reformador; a combustão catalítica ocorre no catalisador de combustão revestido em um lado da parede enquanto a reforma catalítica ocorre no catalisador de reforma revestido no outro lado da parede; a transferência de calor é muito rápida e eficiente por toda a parede; várias dessas montagens podem ser agrupadas para formar reatores de qualquer tamanho.

Description

[0001] Esta invenção refere-se a reatores para produção de hidrogênio e, mais especificamente, reatores, em que os hidrocarbonetos são reformados para produzir uma corrente rica em hidrogênio.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO [0002] O uso de hidrogênio como o novo vetor de energia ganhou ampla aceitação e está progredindo a caminho da implementação. O hidrogênio pode ser usado tanto em motores à combustão interna quanto células de combustível. Particularmente, seu uso em células de combustível para produzir eletricidade ou para combinado para gerar calor e eletricidade representa o processo de produção mais amigável para o meio ambiente devido à ausência de quaisquer emissões de poluentes e é estimulado pelas crescentes preocupações com as emissões de gases de efeito estufa e poluição do ar. Como fator mais importante, o hidrogênio pode ser produzido a partir de fontes de energia renováveis tais como os biocombustíveis, aliviando as preocupações quanto à disponibilidade a longo prazo de combustíveis fósseis e segurança de fornecimento de energia. As aplicações de tais sistemas incluem tanto sistemas móveis como sistemas auxiliares ou de propulsão de veículo quanto sistemas estacionários de calor e energia elétrica (CHP) para uso doméstico ou comercial.

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 23/49

2/20 [0003] Embora as vantagens do hidrogênio como um vetor de energia sejam bem aceitas, sua obtenção e distribuição são essenciais para uma implementação de sucesso. A produção de hidrogênio em larga escala é bem entendida e amplamente praticada em refinarias e plantas químicas (principalmente na indústria de produção da amônia). Para o hidrogênio ser introduzido com sucesso nos setores de transporte e produção de energia distribuída, redes de reabastecimento e distribuição devem ser estabelecidos. O problema está na densidade de baixa energia do hidrogênio, que torna seu transporte muito ineficiente e dispendioso. Transportar o hidrogênio sob a forma comprimida ou líquida requer equipamento especializado e a granel, pois o mesmo minimiza a quantidade que pode ser transportada com segurança, aumentando o custo e consumo de recurso. Isto se torna um problema ainda maior nos primeiros estágios da implementação quando a baixa demanda não conseguirá justificar opções dispendiosas de infraestrutura, tais como redes de tubulação. É evidente, então, que a infraestrutura necessária para hidrogênio irá basear-se nas instalações de produção distribuídas.

[0004] As instalações de produção de hidrogênio distribuídas são o foco de inúmeras atividades de pesquisa e desenvolvimento. Embora tais instalações sejam muito menores em escala do que as empregadas nas refinarias e plantas químicas, as etapas básicas continuam as mesmas. O método mais comumente empregado envolve a produção de hidrogênio pela formação de combustíveis de hidrocarboneto. Estes combustíveis devem ter uma rede de distribuição estabelecida para tratar das preocupações de disponibilidade

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 24/49

3/20 de matéria-prima. Tais questões incluem gás natural, propano, butano (GLP) e etanol como representante dos biocombustíveis. O gás natural é principalmente metano e pode ser reformado de acordo com a reação:

CH4 + H2O co + 3H2 ΔΗ = 4 9,3 kcal/mol [0005] Propano, butano e etanol podem ser reformados de acordo com as reações:

C3H8 + 3H2O 3CO + 7H2 ΔΗ = 119,0 kcal/mol C4H10 + 4H2O 4CO + 9H2 ΔH = 155,3 kcal/mol C2H5OH + H2O 2CO + 4H2 ΔH = 57,2 kcal/mol [0006] Como pode ser visto a partir dos calores de reação (AH), todas as reações de reforma são altamente endotérmicas, exigindo quantidades substanciais de entrada de calor. Uma pequena fração deste calor é fornecido pela reação de troca gás d'água:

CO + H2O CO2 + H2 ΔH = -9,8 kcal/mol que ocorre no reator de reforma, levando as concentrações de CO e CO2 ao equilíbrio termodinâmico. Mesmo assim, existe um grande déficit que deve ser coberto por um fornecimento de calor externo. Este déficit torna-se ainda maior, pois as reações ocorrem a temperaturas na casa dos 700 - 900 °C, o que significa que os reagentes devem ser aquecidos até estas temperaturas. O calor necessário é geralmente fornecido colocando o catalisador que contém os tubos do reator dentro de um forno aceso. Esta é uma medida um pouco ineficaz, pois existem várias limitações graves de transferência de calor a partir da fonte de calor para os tubos do reator e depois para as partículas do catalisador, onde é realmente necessário. A dificuldade aumenta conforme o tamanho da unidade diminui onde aumentam as perdas de calor e questões

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 25/49

4/20 de segurança impõem um tamanho de reator maior. As limitações de material também impõem a perda de temperaturas extremamente altas (> 1000 °C) , limitando ainda mais a capacidade de transferir o calor necessário e aumentando as perdas de calor. Tudo isso significa que as configurações tradicionais de reator são muito ineficientes para a geração de hidrogênio distribuído e novas configurações devem ser desenvolvidas para aumentar a eficácia e diminuir o custo de tais sistemas.

[0007] Várias configurações foram desenvolvidas no passado. A Patente nos EUA de n° 6.387.554 revela um reator que compreende um grupo de tubos de metal ou cerâmica de pequeno diâmetro incluído em uma carcaça isolada termicamente. Os catalisadores são revestidos nas superfícies internas e externas dos tubos e o calor é transferido pelas paredes do tubo. Uma parte dos tubos pode não ser revestida com catalisador e pode funcionar como uma zona de troca de calor.

[0008] O reator descrito na Patente EP N° 0124226 compreende um reator de tubo duplo, o qual possui um catalisador de reforma de fluxo revestido por fora do tubo interno. Alternativamente, um grupo de tubos internos pode ser instalado em uma primeira placa tubular e um grupo de tubos externos em uma segunda placa tubular, as placas tubulares sendo instaladas em torno de um célula cilíndrica para definir uma zona de troca de calor. A fonte de calor é um combustor. Um reator descrito na Patente da EP N° 1361919 compreende uma placa tubular com um número de bolsos extensíveis que estendem verticalmente na célula. Uma segunda placa tubular estende diagonalmente na célula e

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 26/49

5/20 sustenta vários canais de extensão tubulares sulcados os quais correspondem a vários bolsos. Os canais são abertos nas extremidades e estendem para dentro e quase até as bordas dos bolsos. O catalisador pode ser revestido nas superfícies dos bolsos e/ou canais.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0009] A presente invenção refere-se a um reformador que produz uma corrente rica em hidrogênio pelo processo conhecido como reforma de corrente de compostos que contêm hidrogênio. O reformador é composto de duas seções: uma em que ocorrem as reações de reforma de corrente e uma em que a combustão de um combustível fornece o calor necessário para a realização das reações. As duas seções são separadas por uma fina partição de metal e estão em contato térmico para facilitar a transferência eficiente de calor da combustão para a seção de reforma. A combustão é quase catalítica e acontece sobre um catalisador adequado. Reforma de corrente é uma reação catalítica e acontece sobre outro catalisador adequado.

[0010] Em um aspecto da invenção, uma câmara de combustão integrada por calor/reformador de

corrente	é	fornecido	para
combustível.	É fornecida	uma
para o	reformador para	ser
mistura	de	combustível	e

combustão.

uso em um processador de mistura de combustível e vapor reformado e é fornecida uma ar para o combustor sofrer [0011] Como característica, a câmara de combustão integrada/reformador de corrente inclui uma seção tubular definida por uma parede cilíndrica e uma carcaça que

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 27/49

6/20 define uma passagem anelar concêntrica com prolongação axial em relação de transferência de calor entre si. Uma mistura de combustível e ar é fornecida para a seção tubular. A parede interna da seção tubular é revestida com um catalisador que inclui a reação desejada no suprimento da câmara de combustão. Uma mistura de combustível e vapor é fornecida para a passagem anelar. A parede externa da seção tubular é revestida com um catalisador que induz a reação desejada no suprimento do reformador.

[0012] Como outra característica, o reformador de vapor/câmara de combustão integrada inclui uma seção tubular definida por uma parede cilíndrica e uma carcaça que define uma passagem anelar concêntrica de prolongamento axial em relação de transferência de calor entre si. Uma mistura de combustível e vapor é fornecida para a seção tubular. A parede interna da seção tubular é revestida com um catalisador que induz a reação desejada no suprimento do reformador. Uma mistura de combustível e vapor é fornecida para a passagem anelar. A parede externa da seção tubular é revestida com um catalisador que induz a reação desejada no suprimento da câmara de combustão.

[0013] De acordo com outra característica da invenção, o reformador de vapor/ câmara de combustão inclui uma seção tubular definida por uma parede cilíndrica e uma carcaça que define uma passagem anelar concêntrica de prolongamento axial em relação de transferência de calor entre si. Uma mistura de combustível e vapor é fornecida para a seção tubular. A parte intermediária da parede interna da seção tubular é revestida com um catalisador que induz a reação desejada no suprimento do reformador. A

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 28/49

7/20 primeira parte da seção tubular não revestida com catalisador age como um dispositivo de transferência de calor, permitindo que calor seja transferido de produtos quentes da reação de reforma para a mistura de combustível e ar que entra na câmara de combustão, pré-aquecendo o suprimento para a câmara de combustão ao mesmo tempo em que resfria os produtos de reforma. A parte final da seção tubular não revestida com catalisador age como um dispositivo de transferência de calor, permitindo que o calor seja transferido dos produtos quentes da reação de combustão para a mistura de combustível e vapor que entra no reformador, pré-aquecendo o suprimento para o reformador ao mesmo tempo em que resfria os produtos da combustão.

[0014] Em outro aspecto da invenção, o de reformador de vapor/câmara de combustão inclui uma imensidão de seções tubulares definidas por paredes cilíndricas separadas entre si e apoiadas em cada extremidade sobre placas usinadas para permitir que as paredes cilíndricas passem por eles e estejam em ligação fluida com apenas um lado da placa. A submontagem das seções tubulares e as placas são encerradas com uma carcaça cilíndrica que isola o espaço definido pela parte interna da carcaça e as placas de estarem em ligação fluida com os arredores. A parede interna das seções tubulares é revestida com um catalisador que induz a reação desejada no suprimento da câmara de combustão. A parede externa das seções tubulares é revestida com um catalisador que induz a reação desejada no suprimento do reformador. A montagem também inclui uma cabeça de reator modelada da forma apropriada a qual facilita a introdução e

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 29/49

8/20 distribuição da mistura de combustível e vapor dentro das seções tubulares e uma cabeça de reator modelada da forma apropriada a qual facilita a coleta e saída dos produtos da combustão. Uma passagem de fluxo de um lado da carcaça cilíndrica introduz a mistura de combustível e vapor na seção de reforma encerrada. Uma segunda passagem de fluxo no lado oposto da carcaça cilíndrica facilita a retirada dos produtos de reforma.

[0015] De acordo com outra característica da invenção, placas de metal são incluídas dentro da carcaça cilíndrica e perpendicular às seções tubulares e por diversas passagens.

[0016] De acordo, ainda com outra característica da invenção, uma placa metálica com aberturas modeladas da forma apropriada é colocada após a primeira passagem de fluxo dentro da carcaça cilíndrica para direcionar o fluxo do suprimento de reforma por todo o comprimento das seções tubulares e perpendiculares a eles. Uma segunda placa metálica com aberturas modeladas da forma apropriada é colocada diante da segunda passagem de fluxo dentro da carcaça cilíndrica para direcionar o fluxo dos produtos de reforma no espaço definido entre a placa e a carcaça e a segunda passagem de fluxo.

[0017] Estas e outras características e vantagens da presente invenção serão evidentes a partir da descrição a seguir da invenção e os desenhos associados.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS • a figura 1a é uma visão em perspectiva de uma configuração do reformador integrado por calor da invenção;

• a figura 1b é outra visão em perspectiva de uma

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 30/49

9/20 configuração do reformador integrado por calor da invenção;

• a figura 1c é uma visão em perspectiva de outra configuração do reformador integrado por calor da invenção;

• a figura 2a é um visão em perspectiva de uma configuração do reator de reforma integrado por calor da invenção;

• a figura 2b é um visão em perspectiva de outra configuração do reator de reforma integrado por calor da invenção;

• a figura 2c é um visão em perspectiva de outra configuração do reator de reforma integrado por calor da invenção; e • a figura 2d é um visão em perspectiva de outra configuração do reator de reforma integrado por calor da invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DAS CONFIGURAÇÕES PREFERIDAS [0018] A presente invenção é descrita com referência a algumas configurações preferidas ilustradas nos desenhos que as acompanham. A descrição apresenta inúmeros detalhes específicos incluídos para fornecer um entendimento completo da presente invenção. Será aparente, porém, para um especialista na técnica, que a presente invenção pode ser praticada sem alguns ou todos estes detalhes específicos. Por outro lado, as etapas, procedimentos e estruturas de processo bem conhecidas são descritas em detalhes para não ocultar desnecessariamente a presente invenção.

[0019] A Figura 1a ilustra o reformador integrado por calor da presente invenção. A mistura de combustível e vapor inclui uma seção tubular definida por uma parede cilíndrica 10 que separa a zona de combustão 15 da zona de reforma 14. A carcaça da montagem 11 age como a parede do reator e define uma passagem anelar concêntrica de

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 31/49

10/20 prolongamento axial em relação de troca de calor com a seção tubular. Uma mistura de combustível e ar 32 é fornecida para a seção tubular por meio de uma passagem de fluxo 42. A parede interna da seção tubular é revestida com uma película catalisadora 22 que induz a reação desejada no suprimento da câmara de combustão. Os produtos das reações de combustão 33 saem da seção tubular por meio de uma passagem de fluxo 43. Uma mistura de combustível e vapor 30 é fornecida para a passagem anelar por meio da passagem de fluxo 40. A parede externa da seção tubular é revestida com uma película catalisadora 21 que induz a reação desejada no suprimento do reformador. Os produtos das reações de reforma 31 saem da passagem anelar por meio de uma passagem de fluxo 41. Um reformador cuja seção tubular tem um diâmetro de 25mm e um comprimento de 800 mm pode produzir 1m³/hidrogênio.

[0020] O combustível para a câmara de combustão pode ser qualquer combustível adequado e disponível. Tais combustíveis incluem o metano, gás natural, propano, butano, gás liquefeito de petróleo, biogás, metanol, etanol, álcoois maiores, éteres, gasolina, diesel, etc. Para a configuração ilustrada na figura 1a, os combustíveis normalmente disponíveis na forma líquida devem ser vaporizados antes de entrar na zona de combustão. Os mesmos combustíveis podem ser fornecidos para a zona de reforma para serem submetidos a reações de reforma de produção de hidrogênio. Outro possível combustível para a câmara de combustão é o efluente gasoso empobrecido com hidrogênio a partir do ânodo de uma célula de combustível quando o reformador é usado como uma parte de um processador de combustível que produz hidrogênio para uma célula de

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 32/49

11/20 combustível. Ainda outro combustível potencial para a câmara de combustão é o efluente gasoso empobrecido com hidrogênio a partir de adsorção por oscilação de pressão (PSA) ou qualquer outro dispositivo de purificação de hidrogênio quando o reformador é usado como parte de um processador de combustível produzindo uma corrente rica em hidrogênio que supre tal dispositivo para produzir hidrogênio de alta pureza.

[0021] As temperaturas e pressões das duas correntes que entram na câmara de combustão e o reformador respectivamente não precisam ser os mesmos. Geralmente, a combustão ocorre a uma pressão baixa e quase atmosférica, embora combustão de alta pressão seja amplamente praticada. A reforma ocorre a pressões ligeiramente acima da atmosférica até moderadamente altas (até 50 bar). A parede cilíndrica da sessão tubular deve ser de potência suficiente para permitir diferencial de pressão entre as duas correntes. Também é aparente que diferentes geometrias podem ser usadas no lugar de formas cilíndricas se houver vantagem principalmente quanto às aplicações. A composição da mistura que entra na câmara de combustão deve ser tal que garanta a combustão completa do combustível. Embora uma razão estequiométrica de ar para combustível seja suficiente, podem ser empregadas maiores relações com a presente invenção. A composição da mistura que entra na seção de reforma da montagem é determinada pelas estequiométrias das reações de reforma do dado combustível. É comum fornecer uma relação maior do que estequiométrica de vapor para combustível para minimizar as possíveis reações colaterais que podem causar formação de carbono e rebento em

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 33/49

12/20 detrimento do catalisador e/ou o reator. Todas as relações vapor/carbono adequadas na faixa de 1 a 25 podem ser empregadas com a presente invenção.

[0022] A principal vantagem da presente invenção é a integração de calor entre a combustão 15 e as zonas de reforma 14. A combustão ocorre na película catalítica 22 em um lado da parede 10 que separa as duas zonas. A reforma ocorre na película catalítica 21 no outro lado da parede 10 que separa as duas zonas. A parede 10 pode ser construída a partir de qualquer material, mas materiais que ofereçam baixa resistência a transferência de calor tal como metais e ligas são preferidos. Nesta configuração, o calor é gerado por combustão na película catalítica 22 e é transportado muito facilmente e eficientemente através da parede 10 para a película catalítica 21 onde ocorrem as reações de reforma que exigem calor. O calor é gerado onde o mesmo é preciso e não precisa superar resistências de transferência de calor significativas para alcançar o local de demanda, resultando em altas eficiências.

[0023] Para conseguir isto, os catalisadores adequados de combustão e de reforma devem ser revestidos como filmes relativamente finos (5-1000 pm) nos lados opostos da parede de separação. Os catalisadores adequados geralmente consistem em um suporte e uma ou várias fases metálicas dispersas no suporte. O suporte é geralmente uma peça de cerâmica que pode conter óxidos de um ou vários elementos a partir de grupos IA, IIA, IIIA, IIIB e IVB da tabela periódica de elementos. A fase metálica pode conter um ou vários elementos a partir de grupos IB, IIB, VIB, VIIB e VIII da tabela periódica de elementos. Os catalisadores de

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 34/49

13/20 combustão mais característicos consistem em um suporte de óxido de alumínio e uma fase de metal precioso ou semiprecioso. Os suportes típicos para catalisadores de reforma consistem em óxidos de alumínio, silício, lantânio, cério, zircônio, cálcio, potássio e sódio. A fase metálica de catalisadores de reforma pode conter níquel, cobalto, cobre, platina, ródio e rutênio.

[0024] O revestimento dos catalisadores em uma parede separada pode ser acompanhado de muitas técnicas que dependem da natureza da parede. Para paredes cerâmicas, os catalisadores são pigmentados por técnicas amplamente conhecidas pelos especialistas da técnica. Paredes de metal representam um problema maior, pois os coeficientes de expansão dos materiais são muito diferentes e isto pode levar a uma perda catastrófica de coesão durante o ciclo térmico. Na configuração preferida, aplica-se um primeiro revestimento base por pigmentação, revestimento por imersão, spray a frio ou spray de plasma. O revestimento contém a maior parte da cerâmica desejada, por exemplo, óxido de alumínio ou um aluminossilicato, modificado com os compostos apropriados, por exemplo, óxido de lantânio e/ou cálcio e/ou potássio, e uma minoria de compostos metálicos presentes na liga de metal da parede. Isto pode ser repetido com revestimentos que contenham quantidades suscetivamente menores de compostos metálicos até o preferido revestimento base ter sido posto. O revestimento base pode ser ainda fixo no lugar queimando a elevadas temperaturas entre 700 e 1200 °C. O catalisador pode então ser pigmentado no revestimento base. Alternativamente, um segundo revestimento do apoio do catalisador pode ser pigmentado no revestimento base e a

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 35/49

14/20 fase metálica do catalisador pode ser impregnada no apoio do catalisador. Em outra configuração, o apoio do catalisador e a fase metálica podem ser preparados como uma solução gel que revestirá o revestimento base e, após o tratamento, fixará o catalisador no revestimento base. Em ainda outra configuração, a liga de metal da parede que separa, contém elementos tais como alumínio, ítrio, háfnio, etc. Que, mediante aquecimento da liga a temperaturas elevadas entre

800 e 1500 revestimentos superfície da parede. pigmentado, revestido °C, forma revestimentos completos ou parciais dos óxidos correspondentes na

O apoio do catalisador pode ser na por imersão ou pulverizado superfície preparada e a fase metálica impregnada no apoio do catalisador. Alternativamente, o catalisador pode ser diretamente pigmentado, revestimento por imersão ou pulverizado na superfície preparada da parede. Em todos os casos, o catalisador é fixado no lugar aquecendo a temperaturas elevadas entre 500 e 1100°C. Antes de colocar o catalisador em serviço, a fase metálica é reduzida em atmosfera de hidrogênio a temperaturas elevadas entre 400 e

900 °C.

[0025] A Figura 1B ilustra o reformador integrado por calor de acordo com outra configuração da presente invenção. O reformador de vapor/câmara de combustão inclui uma seção tubular definida por uma parede cilíndrica 10 que separa a zona de combustão 15 da zona de reforma 14. A carcaça da montagem 11 age como a parede do reator e define uma passagem anelar concêntrica de prolongamento axial em relação de transferência de calor com a seção tubular. Uma mistura de combustível e ar 32 é fornecida para

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 36/49

15/20 a passagem anelar por meio de uma passagem de fluxo 40. A parede externa da seção tubular é revestida com uma película catalisadora 22 que induz a reação desejada no suprimento da câmara de combustão. Os produtos das reações de combustão 33 saem da passagem anelar por meio de uma passagem de fluxo 41. Uma mistura de combustível e vapor 30 é fornecida para a seção tubular pela passagem de fluxo 42. A parede interna da seção tubular é revestida com uma película catalisadora 21 que induz a reação desejada no suprimento do reformador. Os produtos das reações de reforma 31 saem da seção tubular pela passagem de fluxo 43.

[0026] A figura 1C ilustra o reformador integrado por calor de acordo com ainda outra configuração da presente invenção. O de reformador de vapor/câmara de combustão integrada inclui uma seção tubular definida por uma parede cilíndrica 10 que separa a zona de combustão 15 da zona de reforma 14. A carcaça da montagem 11 age como uma parede do reator e define uma passagem anelar concêntrica de prolongamento axial em relação de transferência de calor com a seção tubular. Uma mistura de combustível e ar 32 é fornecida para a passagem anelar por meio de uma passagem de fluxo 42. Nesta configuração, apenas a parte intermediária da parede interna da seção tubular é revestida com uma película catalisadora 22 que induz a reação desejada no suprimento da câmara de combustão. De maneira semelhante, apenas a parte intermediária da parede externa da seção tubular é revestida com uma película catalisadora 21 que induz a reação desejada no suprimento do reformador. As partes revestidas com catalisador da parede funcionam como nas configurações anteriores. As partes da parede não

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 37/49

16/20 revestidas com catalisador funcionam como regiões de troca de calor do reformador. A zona de troca de calor 16 transfere calor dos produtos de combustão quentes para préaquecer a alimentação da seção de reforma. A zona de troca de calor 17 transfere calor dos produtos de reforma a quente para pré-aquecer a alimentação da seção de combustão. Desta maneira, obtém-se maior integração e utilização de calor dentro do reformador. Os produtos das reações de combustão 33 saem da seção tubular por meio da passagem de fluxo 43. Uma mistura de combustível e vapor 30 é fornecida para a passagem anelar pela passagem de fluxo 40. Os produtos das reações de reforma 31 saem da passagem anelar pela passagem de fluxo 41.

[0027] As capacidades de produção dos reformadores discutidas nos exemplos anteriores são limitadas por seu tamanho, ou seja, diâmetro e comprimento das seções. As capacidades de qualquer tamanho podem ser alcançadas unindo várias submontagens. A figura 2A ilustra uma configuração de tal reator de reforma integrado por calor. O reator consiste em múltiplos tubos 10. A parede interna do tubo é revestida com uma película catalisadora 22 que induz as reações de combustão desejadas; A parede externa do tubo é revestida com uma película catalisadora 21 que induz as reações de reforma desejadas. Os tubos são apoiados em espelhos 131 e 132 em cada extremidade. Os espelhos são usinados de forma a permitir contato de fluxo entre o suprimento da câmara de combustão, a zona de combustão e espaços de coleta de produto de combustão. Os tubos são soldados nos espelhos para evitar qualquer mistura entre as espécies que participam das reações de reforma e as

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 38/49

17/20 que participam das reações de combustão.

[0028] Os feixes de tubo são encerrados pela parede do reator 11, que também liga-se a espelhos 131 e 132 e define um espaço encerrado 14 entre os tubos 10 e os espelhos 131 e 132.

[0029] Este espaço é a zona de reforma. O reator ainda consiste de cabeças de reator 121 e 122.

[0030] O suprimento de combustível e ar para a câmara de combustão 32 entra no reator por meio de uma passagem de fluxo 42. A mistura é distribuída na cabeça do reator 121 de maneira a permitir suprimentação uniforme de todos os tubos 10. A combustão acontece dentro dos tubos 10 na película catalítica 22. Os produtos da combustão 33 saem na outra extremidade dos tubos apoiados no espelho 132, são coletados na cabeça do reator 122 e saem do reformador através de uma passagem de fluxo 43.

[0031] Já que os tubos 10 e espelho 131 ficam muito quentes durante a operação, coloca-se um dispositivo corta-chama 17 diante do espelho 131 para evitar retorno de chama e combustão descontrolada na cabeça do reator 121. O suprimento de reforma de combustível e vapor 30 entra no reator através da passagem de fluxo 40. A mistura entra em contato de fluxo com a película catalisadora 21 que cobre a parede externa do tubo 10. O catalisador induz as reações de reforma e os produtos 31 saem do reator através de uma passagem de fluxo 41.

[0032] A Figura 2B ilustra outra configuração de um reator de reforma integrado por calor. O suprimento de reforma de combustível e vapor 30 novamente entra no reator através da passagem de fluxo 40. Um ou

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 39/49

18/20 vários defletores 50 são colocados dentro do reator e em posição perpendicular aos tubos 10 para forçar a mistura reagente num trajeto de passagem múltipla de fluxo cruzado através do reator. Isto garante maiores velocidades de fluido, maior turbulência e melhor contato com os tubos 10 revestidos com catalisador. Isto, por sua vez, resulta em menores resistências de transferência de massa na fase fluida e maiores eficiências de reação ao mesmo tempo em que também aumenta as taxas de transferência de calor. Os produtos das reações de reforma 31 novamente saem do reator pela passagem de fluxo 41.

[0033] A Figura 2C ilustra ainda outra configuração de um reator de reforma integrado por calor. O suprimento de reforma de combustível e vapor 30 novamente entra no reator através da passagem de fluxo 40 que é colocada no meio da parede do reator 11. Uma placa de distribuição 52 é colocada dentro do reator e em frente à passagem de fluxo 40. A placa de distribuição prolonga-se do espelho 131 até o espelho 132 e tem múltiplas aberturas de formato adequado 152 que permitem a passagem e distribuição uniforme dos reagentes 30. Os reagentes fluem pela zona de reforma 14 do reator de maneira perpendicular aos tubos 10 e entra em contato com a película catalisadora 21 que cobre a parede externa dos tubos 10 onde as reações de reforma ocorrem. A placa coletora 53 é colocada dentro do reator e em lado oposto da placa de distribuição 52. A placa coletora prolonga-se do espelho 131 até o espelho 132 e tem múltiplas aberturas de formato adequado 153 que permitem a passagem e distribuição uniforme dos produtos da reforma 31. Os produtos 31 saem do reator através da passagem de fluxo 41.

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 40/49

19/20

Esta configuração oferece as mesmas vantagens que as da configuração ilustrada na FIG. 2B. A configuração permite, porém, menores velocidades de fluído e uma passagem única do fluído na zona de reforma 14, resultando em menor queda de pressão, embora possa representar uma menor solução de custo.

[0034] A Figura 2D ilustra ainda outra configuração de um reator de reforma integrado por calor. Como os tubos 10 e o espelho 131 ficam muito quentes durante a operação, a combustão pode ser iniciada na superfície frontal do espelho 131 e propagar de volta através da cabeça do reator 121 e, possivelmente, através da passagem de fluxo 42, se o combustível e ar forem pré-misturados. Para evitar tal situação potencialmente muito perigosa, o ar e combustível podem ser mantidos separados até entrarem nos tubos 10 onde a combustão é desejada. O ar 35 entra na cabeça do reator 121, é distribuído e entra uniformemente nos tubos 10 através de um espelho 131. O combustível 36 entra por um distribuidor 18 e é distribuído para cada tubo através de pontas do formato e tamanho adequados 181. Permitindo uma pressão ligeiramente superior para a corrente de combustível 36 do que a corrente de ar 35 também permite que o efeito Venturi se desenvolva e evite qualquer combustível de retornar. Alternativamente, aumentando o fluxo de corrente de ar 35, empurra a mistura mais adiante nos tubos 10, retardando a combustão até a mistura estar bem dentro dos tubos.

[0035] Embora esta invenção tenha sido descrita quanto às diversas configurações preferidas, existem alterações, trocas e equivalências que se encaixam

Petição 870180145908, de 29/10/2018, pág. 41/49

20/20 dentro da abrangência da presente invenção e que precisaram ser omitidas em benefício da brevidade. Pretende-se, portanto, que a abrangência da presente invenção deve ser determinada com referência às reivindicações incluídas.

Claims

1. “REFORMADOR DE VAPOR ALTA E TERMICAMENTE INTEGRADO E COMBINADO PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO A PARTIR DE UMA FONTE DE COMBUSTÍVEL", caracterizado por compreender: a) uma câmara de combustão configurada para receber uma fonte de combustível e para fornecer calor para o reformador disposto de forma anelar em torno da câmara de combustão e separado por uma parede (10); b) uma lateral da câmara da parede de separação sendo revestida com um catalisador (22) capaz de induzir reações de combustão (33) de combustível; c) um reformador configurado para receber a fonte de combustível e liberar hidrogênio; d) a lateral do reformador da parede de separação sendo revestida com um catalisador (21) capaz de induzir reações de reforma (31) de combustível.

2. “REFORMADOR DE VAPOR ALTA E TERMICAMENTE INTEGRADO E COMBINADO PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO A PARTIR DE UMA FONTE DE COMBUSTÍVEL", caracterizado por compreender: a) um reformador configurado para receber a fonte de combustível e liberar hidrogênio e receber calor da uma câmara de combustão disposta de forma anelar em torno do reformador e separado por uma parede (10); b) uma câmara de combustão configurada para receber a fonte de combustível e liberar calor para o reformador; c) a lateral da câmara de combustão da parede de separação (10) sendo revestida com um catalisador (22) capaz de induzir reações de combustão (33) de combustível; d) a lateral do reformador da parede de separação (10) sendo revestida com um catalisador (21) capaz de induzir reações de reforma (31) de combustível.

3. “REFORMADOR DE VAPOR ALTA E TERMICAMENTE INTEGRADO E COMBINADO PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO A PARTIR DE UMA FONTE DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 1, caracterizado por apresentar um reformador em que a parede de separação (10) é apenas parcialmente coberta com um catalisador em cada lado, de forma que estabelecer zonas de troca de calor onde o calor é transferido entre o suprimento da câmara de combustão e os produtos do reformador e entre o suprimento do reformador e os produtos da câmara de combustão, respectivamente.

4. “REFORMADOR DE VAPOR ALTA E TERMICAMENTE INTEGRADO E COMBINADO PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO A PARTIR DE UMA FONTE DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 2, caracterizado por a parede de separação (10) ser apenas parcialmente coberta com catalisador em cada lado, de forma que estabelecer zonas de troca de calor onde o calor é transferido entre o suprimento da câmara de combustão (32) e os produtos do reformador e entre o suprimento do reformador e os produtos da câmara de combustão, respectivamente.

5. “REFORMADOR DE VAPOR/CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA USO EM UM SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEL", caracterizado por fornecer uma mistura de combustível e vapor (30) para o reformador à ser reformado e produzir hidrogênio e uma mistura de combustível e ar para a câmara de combustão para sofrer combustão e fornecer o calor ao reformador, a montagem compreende: a) uma infinidade de seções tubulares onde a parede interna do tubo é revestida com um catalisador (22) capaz de induzir as reações de combustão (33) e a parede externa do tubo (10) é revestida com um catalisador (21) capaz de induzir as reações de reforma (31); b) espelhos (131) (132) de apoio e espaçamento das seções tubulares; c) uma parede cilíndrica que encerra as seções tubulares e ligadas aos espelhos (131) (132) e tendo passagens de fluxo (40) (42) para alimentar os reagentes (30) e (41) e (43) remover os produtos de reforma; d) uma primeira cabeça de reator (121) conectada a um espelho e tendo uma passagem de fluxo (42) para alimentar o suprimento da câmara de combustão; e) uma segunda cabeça de reator (122) conectada a outro espelho e tendo uma passagem de fluxo (43) para remover os produtos da combustão.

6. “REFORMADOR DE VAPOR/CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA USO EM UM SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 5, caracterizada por compreender, ainda, um distribuidor (18) de fluxo dentro da primeira cabeça de reator (121) e conectado a sua associada passagem de fluxo (42) e posteriormente um dispositivo corta-chama entre o referido distribuidor e espelho (131).

7. “REFORMADOR DE VAPOR/CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA USO EM UM SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 6, caracterizada por compreender, ainda, um conjunto de defletores (50) colocados dentro da parede cilíndrica e em posição perpendicular às seções tubulares para direcionar o fluxo do reformador através das seções tubulares repetidas vezes.

8. “REFORMADOR DE VAPOR/CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA USO EM UM SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 7, caracterizado por compreender, ainda, uma placa de distribuição (52) colocada dentro da parede cilíndrica e entre a primeira passagem de fluxo e as seções tubulares para direcionar o fluxo do suprimento do reformador uniformemente pelos tubos em um padrão de fluxo cruzado, e ainda uma placa coletora (53) colocada dentro da parede cilíndrica e entre a segunda passagem de fluxo e as seções tubulares para direcionar o fluxo do produto do reformador uniformemente pelos tubos em um padrão de fluxo cruzado.

9. “REFORMADOR DE VAPOR/CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA USO EM UM SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 5, caracterizado por compreender, ainda, um distribuidor colocado dentro da primeira cabeça do reator (121) com sua seção de entrada passando pela passagem de fluxo (42) da cabeça do reator e tendo pontas de formato apropriado (181) para alimentar o combustível diretamente para dentro de cada seção tubular.

10. “REFORMADOR DE VAPOR/CÂMARA DE COMBUSTÃO PARA USO EM UM SISTEMA DE PROCESSAMENTO DE COMBUSTÍVEL", de acordo com a reivindicação número 9, caracterizado por o ar ser alimentado através da primeira passagem de fluxo (42) da cabeça do reator (121) e ser misturado com o combustível apenas dentro das seções tubulares.