BR0207108B1 - conjunto reator e resfriador trocador de calor. - Google Patents

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CONJUNTO REATOR E RESFRIADOR TROCADOR DE CALOR".
Fundamentos da Invenção
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um conjunto reator e resfriador, que é útil para conduzir reações exotérmicas tais como a reação de oxigênio molecular e etileno para formar óxido de etileno.
Descrição da Técnica Precedente
A oxidação de etileno para formar óxido de etileno é realizada de maneira convencional em um reator de casco e tubo. Um catalisador sólido apropriado, constituído de prata, é colocado em tubos alongados e os gases de reação são passados em condições de reação para contato com o catali- sador. Um fluido circulante é fornecido no lado do casco para remover calor gerado pela reação exotérmica.
É importante que as misturas de gás de reação sejam rapida- mente resfriadas depois da complementação da reação desejada, para mi- nimizar a possibilidade de oxidação completa bem como reações colaterais indesejáveis, tais como formação de formaldeído e/ou acetaldeído; a forma- ção de tais produtos causa problemas de purificação, uma vez que eles são difíceis de separar de óxido de etileno produto.
A técnica precedente reconheceu este problema e entre os re- médios sugeridos esteve a utilização da última seção dos tubos do reator para realizar o resfriamento dos gases do reator. A Patente U.S. 4.061.659 sugeriu que uma zona de resfriamento seja fornecida adjacente à zona de reação, a zona de resfriamento sendo enchida com um particulado refratário inerte tendo uma área superficial de 0,1 m2/g ou menos.
A Patente britânica 1.449.091 fornece um reator tubular que é dividido em três zonas distintas. Os gases de reação passam através de tu- bos que em uma primeira seção são recheados com inertes para fornecer uma zona de preaquecimento, em uma segunda seção os tubos são reche- ados com catalisador para fornecer uma zona de reação, e estes mesmos tubos em uma terceira seção são recheados com inertes ou são sem recheio para fornecer uma zona de resfriamento.
A Patente U.S. 4.921.681 fornece um reator tubular que forma uma zona de preaquecimento, reação e resfriamento.
A Patente U.S. 5.292.904, mais recente, da mesma forma des- creve um reator tubular com os tubos divididos em uma zona de preaqueci- mento, uma zona de reação e uma zona final de resfriamento recheada. Sumário da Invenção
De acordo com a presente invenção, um conjunto aperfeiçoado reator e resfriador é fornecido, o qual é menos oneroso para fabricar e ope- rar, e que fornece resfriamento rápido de gases de reação. Um reator tubular de um tipo convencional é fornecido em conjunto com um trocador de calor que é integral com o cabeçote de descarga do reator tubular, e adaptado para resfriar gases de reação.
Breve Descrição do Desenho
O desenho anexo é uma representação esquemática do con- junto reator e resfriador da invenção. Descrição Detalhada
Fazendo referência ao desenho, o reator 1 é um reator de casco e tubo do tipo que é empregado convencionalmente para produção de oxido de etileno. Uma multiplicidade de tubos alongados 2, é fornecida no reator, as extremidades de entrada sendo fixadas ao espelho de tubos 3 e as ex- tremidades de saída ao espelho de tubos 4. O cabeçote de entrada do reator 5 é fornecido como é o cabeçote de saída do reator 6.
Trocador de calor de casco e tubo 7 é fixado a, e é integral com o cabeçote de saída do reator 6, uma abertura é fornecida no cabeçote de saída 6 para comunicação com o trocador de calor 7 e de maneira conveni- ente o trocador de calor 7 é soldado ao cabeçote de saída 6 ao redor da abertura, formando assim uma estrutura integrada com o reator. O trocador de calor 7 é dotado de tubos 8 que são fixados aos espelhos de tubos 9 e 10, como indicado. Cabeçote de saída do trocador de calor 11 é fornecido.
Na prática, gases de reação, a saber, etileno, oxigênio e gás de lastro são introduzidos para o reator 1 por meio da linha 12, e passam em condições de reação através dos tubos do reator 2 que são recheados com um catalisador de prata apropriado. Calor de reação é removido por meio de um fluido circulante de transferência de calor, tal como água, que é introdu- zido por meio da linha 13 para o lado do casco do reator 1 e removido por meio da linha 14.
Gases de reação passam através dos tubos 2 onde têm lugar a produção de oxido de etileno e quando da saída pelos tubos 2 os gases passam para o cabeçote de saída 6 e então para tubos 8 do trocador 7 e são imediatamente resfriados para impedir oxidação adicional e isomerização.
Um fluido de resfriamento é introduzido para o lado do casco do resfriador 7 por meio da linha 15 e removido por meio da linha 16. Água é um fluido de resfriamento apropriado e preferido. Gases de reação resfriados deixam o resfriador 7 por meio da linha 17 e são tratados em uma maneira convencio- nal para a recuperação do produto e reciclagem de diversos componentes.
Uma das vantagens do conjunto reator e resfriador da invenção é que o trocador de calor 7 pode ser projetado expressamente para o rendi- mento máximo no resfriamento dos gases de reação sem as restrições im- postas por propostas precedentes onde os tubos do reator são utilizados para a função de resfriamento. Vazões, temperaturas e similares são regula- das separadamente para o trocador de calor 7, independente da remoção de calor do reator 1.
Os tubos do trocador de calor 8 podem ser recheados com sóli- do inerte, porém preferível mente não são recheados com materiais sólidos.
Fixar o trocador de calor diretamente ao cabeçote do reator pos- sibilita projeto de resfriamento eficiente e integridade estrutural excelente e assegura resfriamento imediato de gases de reação devido à proximidade do trocador de calor ao reator.
O resfriamento em tubos 8 é independente das condições de operação do reator 1 quando o fluido de transferência de calor no trocador de calor 7 não está limitado a condições do reator 1, como é o caso quando uma zona de resfriamento é fornecida como uma extensão de tubos 2 do reator 1. Portanto, condições ótimas podem ser mantidas no trocador de ca- lor 7 através de todo o ciclo de vida do catalisador quando as condições mu- dam no reator 1.
Em adição, construindo o trocador de calor 7 como uma parte integral do reator 1, o tempo de residência no cabeçote de saída do reator 6 é minimizado, limitando assim o tempo para formação de subproduto em contraste com a prática convencional onde um conduto é fornecido para transportar gases de reação para um trocador de calor externo separado.
O reator aperfeiçoado e o conjunto trocador de calor-resfriador da invenção são genericamente úteis para reações exotérmicas tais como oxidações que têm lugar em reator tubular onde os reagente são colocados em contato com catalisador recheado nos tubos de reator em um reator de casco e tubo. A oxidação de etileno para óxido de etileno é um exemplo im- portante.
Os reatores que compreendem uma porção do conjunto desta invenção são do tipo genericamente empregado na tecnologia de reação exotérmica tal como a produção de óxido de etileno. De maneira convencio- nal, tais reatores compreendem um cabeçote de entrada superior para a admissão de gases de reação e um cabeçote de saída para a saída de pro- duto de reação. Espelhos de tubos são fornecidos para suportar a multiplici- dade de tubos recheados com o catalisador apropriado, através dos quais os gases reagentes passam, e nos quais a reação desejada tem lugar. No caso de produção de óxido de etileno, reatores que têm um diâmetro tão grande quanto 4,572 a 6,096 metros (15 até 20 pés), convencionais, com milhares de tubos reagentes, de forma ilustrativa 20.000 ou mais, sendo suportados pelos espelhos de tubos no reator. O comprimento de tubos pode se situar tão longos quanto 12,192 metros (40 pés), uma faixa de 6,096 a 12,192 me- tros (20 a 40 pés) sendo ilustrativa, diâmetro externo de tubos de 2,54 até 5,08 cm (1 polegada até 2 polegadas) sendo ilustrativo. O meio de transfe- rência de calor é fornecido para remover a reação exotérmica aquecida. Di- versos fluidos, inclusive água, dowtherm e similares podem ser empregados.
É essencial para o conjunto da invenção a provisão de um tro- cador de calor integrado com o cabeçote de saída do reator tubular, com uma abertura na saída 6 ao redor da qual o trocador de calor é fixado como por meio de solda. No desenho, o trocador de calor conectado de maneira integrada está designado como o trocador de calor 7. Genericamente o tro- cador de calor pode se situar em diâmetro desde cerca de 1,219 até 2,438 metros (4 pés até 8 pés) e contém tubos suportados por espelhos de tubos superior e inferior, os tubos se situando desde 800 até cerca de 3000 em quantidade e desde cerca de 2,54 até 4,445 cm (1 polegada até cerca de 1,75 polegada) em diâmetro externo. Um fluido de troca de calor é fornecido para o resfriamento dos tubos do trocador de calor, para reduzir rapidamente a temperatura da mistura de reação até um ponto abaixo do qual oxidação adicional e/ou a produção de diversos subprodutos tem lugar. Preferivel- mente o fluido de troca de calor é água.
Catalisadores de prata convencionais suportados são recheados nos tubos do reator. Catalisadores adequados e condição para utilização estão descritos, por exemplo, nas USP 5.504.052, 5.646.087, 5.691.269, 5.854.167 e similares, cujas divulgações são aqui com isto incorporadas para referência.
A porção reator do conjunto é constituída de materiais que são bem-conhecidos nesta técnica particular. A porção trocador de calor é prefe- rivelmente feita de aço carbono ou aço duplex e os tubos contidos nela são preferivelmente abertos e não-recheados, embora se desejado recheio iner- te, tal como alumina ou similar possa ser empregado.
Os reatores tubulares para utilização, por exemplo, na produção de óxido de etileno, são bem-conhecidos e tais reatores podem compreen- der a porção reator do conjunto presente.
Um exemplo específico de um conjunto da presente invenção, que é adaptado para a oxidação de etileno para formar óxido de etileno está descrito na figura anexa. O material de construção para o reator 1 e resfria- dor 7 é aço carbono. O reator tem um diâmetro de 5,029 metros (16,5 pés) e contém tubos suportados por meio de espelhos de tubos 3 e 4, os 8809 tu- bos do reator tendo um comprimento de cerca de 8,229 metros (27 pés), cada tubo tendo um diâmetro externo de 3,81 cm (1,5 polegada). Soldado ao cabeçote de saída inferior 6 do reator 1 está o troca- dor de calor 7. O trocador de calor tem um diâmetro de cerca de 1,828 me- tros (6 pés) e um comprimento de cerca de 3,048 metros (10 pés) e é solda- do a uma abertura de 1,737 metro (5,7 pés) de diâmetro no cabeçote 6. Su- portados no trocador 7 por meio de espelhos de tubos 9 e 10 existem 1468 tubos que são abertos e não contêm recheio sólido. Os tubos têm um diâ- metro externo de 3 cm (1,25 polegada).
O fluido de troca de calor de resfriamento introduzido por meio da linha 15 e removido por meio da linha 16 é água.
Falando genericamente, os gases de reação que deixam o rea- tor 1 através do cabeçote 6 estão a uma temperatura na faixa de 215°C a 282°C (420°F até 540°F). De acordo com a utilização do conjunto da pre- sente invenção estes gases são quase que instantaneamente resfriados para abaixo da temperatura na qual reação adicional tem lugar no trocador de calor 7 isto é a 215°C (420°F) ou mais baixo. Os gases de reação pene- tram no trocador de calor 7 essencialmente na temperatura de reação de saída do reator 1 e deixam o trocador de calor 7 por meio do cabeçote de saída 11 por meio da linha 17. De acordo com a prática da invenção, a mis- tura de gás de reação que sai por meio da linha 17 é tratada de acordo com procedimentos conhecidos para a separação e recuperação de produto e reciclagem de componentes da mistura tais como o etileno não-reagido, oxi- gênio e gases de lastro.

Claims (3)

1. Conjunto reator e resfriador trocador de calor que é constituí- do de um reator tubular (1) que tem um cabeçote superior de entrada (5) e um cabeçote inferior de saída (6) e tubos de reação recheados (2) com cata- lisador dentro do reator (1) e suportados por um espelho de tubos de extre- midade de entrada (3) e um espelho de tubos de extremidade de saída, (4), caracterizado pelo fato de compreender ainda um trocador de calor tubular (7) possuindo uma extremidade superior e uma extremidade inferior e com- preendendo espelhos de tubos de extremidade superior e de extremidade inferior sustentando tubos dentro do trocador de calor (7), a extremidade su- perior do trocador de calor sendo integralmente em torno de uma abertura no cabeçote inferior de saída (6) do reator (1) para formar uma estrutura so- lidária com o reator (1), a referida abertura do cabeçote inferior de saída (6) servindo para a passagem da mistura de gases de reação provenientes do reator (1) para o trocador de calor (7) e através de tubos (8) no trocador de calor (7) e através dos tubos no trocador de calor (7), pelo que os gases de reação são resfriados por troca de calor indireta com um fluido de troca de calor introduzido ao trocador de calor (7).
2. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que dispositivos são fornecidos para resfriar os tubos (2, 8) em ambos, no reator (1) e no trocador de calor (7), com água.
3. Conjunto de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o reator (1) é recheado com um catalisador suportado de prata.
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