BR0207559B1 - reator e mÉtodo para reduzir o teor de àxido de nitrogÊnio de um gÁs. - Google Patents
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Description
"REATOR E MÉTODO PARA REDUZIR O TEOR DE OXIDO DE NITROGÊNIO DE UM GÁS"
Antecedentes da Invenção
1. Campo da Invenção
A presente invenção diz respeito a um reator quí-mico e método para reduzir cataliticamente o teor de óxidode nitrogênio em um gás, particularmente gás de exaustão oude combustão, resultante da queima de combustível.
2. Descrição da Tecnologia Relacionada
A queima de combustíveis em vários processos in-dustriais freqüentemente gera óxidos de nitrogênio indeseja-dos (NOx), normalmente na forma de óxido nítricô (NO) e dió-xido de nitrogênio (NO2). Altas temperaturas de combustãotendem produzir mais NOx. Em virtude de o NOx ser prejudicialao meio ambiente, esforços têm sido feitos para reduzir aemissão de NOx em gases produzidos pelos processos industri-ais que envolvem a queima de combustível, particularmentegases resultantes da operação de usinas de energia, fornosde craqueamento térmico, incineradores, motores de combustãointerna, usinas metalúrgicas, fábricas de fertilizantes efábricas de produtos químicos.
São conhecidos métodos para reduzir seletivamenteo teor de NOx de um gás de exaustão. Geralmente, tais méto-dos envolvem a reação de NOx com um agente redutor, opcio-nalmente na presença de um catalisador. A redução não-catalítica seletiva ("SNCR") de NOx com um agente redutor,tais como amônia ou uréia, requer uma temperatura relativa-mente alta, por exemplo, na faixa de cerca de 1600 0F (871°C) a cerca de 2100 0F (1149 °C).
Alternativamente, a redução de NOx com amônia podeser feita cataliticamente a uma temperatura muito mais bai-xa, por exemplo de cerca de 500 0F (260 °C) a cerca de 950°F (510 °C), em um processo conhecido como redução catalíti-ca seletiva (wSCRw).
Um problema associado com o tratamento de gás deexaustão com uso de métodos e aparelhos SCR convencionais éque o peso e volume do equipamento necessário para se conse-guir remoção satisfatória de NOx requerem que ele fique lo-calizados no nível do chão. Muitas usinas industriais preci-sam ser adaptadas com equipamento de remoção de NOx ("des-NOx") a fim de atender as exigências regulamentos governa-mentais mais rigorosas. Entretanto, em virtude do volume fí-sico do sistema des-NOx, o gás de exaustão deve ser desviadopara o nível do chão para tratamento e, em seguida, enviadode volta para uma chaminé para subseqüente exaustão para aatmosfera. Para se evitar um alto custo de um sistema comoesse, seria altamente vantajoso fornecer uma unidade des-NOxde peso relativamente baixo que pudesse ser incorporada di-retamente na chaminé.
Sumário da Invenção
De acordo com a presente invenção, é provido umreator de fase de gás de fluxo paralelo para a conversãoquímica de óxido de nitrogênio em uma corrente de gás, ecompreende:
a) uma blindagem que possui superfícies interior eexterior, uma entrada da corrente de gás para receber umacorrente do gás de entrada que possui uma concentração ini-cial de oxido de nitrogênio, e uma saída da corrente de gásatravés da qual o gás tratado com baixa concentração de oxi-do de nitrogênio, em relação ã concentração de oxido de ni-5 trogênio da corrente do gás de entrada, é descarregado;
b) um injetor para introduzir um agente redutor nacorrente do gás de entrada; e,
c) uma pluralidade de leitos catalíticos substan-cialmente planos dentro da blindagem do reator, cada leito catalítico contendo pelo menos um catalisador de conversãode óxido de nitrogênio para redução catalítica seletiva deóxido de nitrogênio na corrente do gás de entrada para for-necer um gás tratado de baixa concentração de óxido de ni-trogênio, os leitos catalíticos sendo orientados substanci-almente paralelos entre si, e em relacionamento espaçado, ecom a superfície interior da blindagem do reator com passa-gens de fluxo de gás entre eles, as passagens cada qual in-cluindo um defletor de corrente de gás posicionado nela paradirecionar o fluxo da corrente do gás de entrada pelo menos por um leito catalítico e o gás tratado para a saída da cor-rente de gás, cada leito catalítico sendo um monolito ou ca-talisador suportado em uma estrutura tipo malha que possuiuma porosidade maior do que cerca de 85%.
O reator de fluxo paralelo desta invenção fornece uma unidade de peso relativamente baixo para redução catalí-tica seletiva de NOx em um gás, em particular gás de exaus-tão produzido pela queima de um combustível fóssil em umforno, e é facilmente incorporado em fornos equipados comchaminés de projeto convencional, tornando assim adequadaspara se adaptarem para instalação em unidades existentes.
Descrição Resumida dos Desenhos
Várias modalidades do reator de fluxo paralelodesta invenção e arranjos de catalisador preferidos nela em-pregados estão descritos a seguir com referência aos dese-nhos , em que:
A Figura IA é uma vista diagramática de um sistemade forno de um tipo conhecido que incorpora o reator de flu-xo paralelo da presente invenção na sua seção da chaminé;
A Figura IB é uma vista lateral da figura IA;
A Figura 2 é uma vista diagramática de um reatorde fluxo paralelo;
A Figura 3 é uma vista diagramática de uma modali-dade alternativa do reator de fluxo paralelo;
A Figura 4A é uma vista detalhada do arranjo deleito catalítico substancialmente paralelo do reator da fi-gura 2 ;
A Figura 4B é uma vista detalhada do arranjo deleito catalítico substancialmente paralelo do reator da fi-gura 3 ;
A Figura 5A ilustra um leito catalítico monolíticoconstituído de unidades tipo tijolo;
A Figura 5B é uma vista em perspectiva de uma uni-dade tipo tijolo que constitui o leito catalítico monolíticoda figura 5A;
As Figuras 5C e 5D ilustram modalidades alternati-vas de catalisador de monolito;A Figura 6 é uma vista diagramática isométrica deuma estrutura de empacotamento útil para explicar certosprincípios operacionais da presente invenção;
A Figura 6A é um diagrama útil para explicar parâ- metros de um material de empacotamento corrugado;
A Figura 7 é uma vista diagramática de uma combi-nação de catalisador produzido por microengenharia e um ca-talisador de monolito; e
A Figura 8 é uma vista de extremidade de uma por- ção de um elemento de empacotamento.
Descrição Detalhada de Modalidades PreferidasNa forma aqui usada, os termos "chaminé" e "condu-to de exaustão" são usados de forma sinonímea. Todas asquantidades devem ser entendidas como sendo modificadas pelo termo "cerca de" ou "aproximadamente" . As porcentagens de com-posição são em peso, a menos que de outra forma especificadas.
A expressão "óxido de nitrogênio" na forma aquiusada se refere a qualquer óxido de nitrogênio, tais comoNO, NO2, N2O4, N2O e qualquer de suas misturas, e está alter- nativamente designado por "NOX" .
O reator e método para a redução catalítica sele-tiva de NOx desta invenção preferivelmente emprega amôniacomo o agente redutor. NOx reage com amônia na presença decatalisador para produzir nitrogênio e água, conforme mostra- do na equação seguinte (não balanceada estequiometricamente):NOx + NH3 ► H2 + H2O.
O reator de fase gasosa de fluxo paralelo e o mé-todo de des-NOx aqui descritos podem ser usados em qualqueraplicação que requeira o tratamento de um gás contento NOxpara reduzir seu nível de NOx. Equipamentos de combustão tí-picos que produzem altos níveis de NOx incluem usinas deenergia, regeneradores de craqueamento cataiítico de fluido(FCC), fornos de vidro, craqueadores térmicos e similares. 0método des-N0x aqui será descrito particularmente em combi-nação com uma unidade de craqueamento térmico para produziroleofinas (por exemplo, etileno, propileno, butileno, etc.)a partir de uma alimentação de matéria prima de hidrocarbo-netos saturados, tais como etano, propano, nafta e outrosmais. Entretanto, o reator e o método podem ser usados comqualquer equipamento ou processo de combustão que gere umgás contendo níveis indesejáveis de NOx.trado o reator des-N0x de fase gasosa de fluxo paralelo 10em conjunto com um sistema de craqueamento térmico que em-prega fornos gêmeos 11 e 12 que possuem uma câmara de com-bustão radiante que opera a cerca de 2200 0F (1204 °C) parao craqueamento da matéria prima alimentada. Cada forno pro-duz um gás de exaustão que sai dele pelas respectivas chami-nés. Tipicamente, a vazão de gás de exaustão em cada chaminévaria de cerca de 100.000 - 300.000 lb/h (45359,2 -136077,7kg/h) . 0 gás de exaustão tipicamente contém os seguintescomponentes:Nitrogênio 60-80 % volReferindo-se agora às figuras IA e 1B, está ilus-Oxigênio1-4 % volVapor de águaDióxido de carbono2-20 % vol10-25 % volÓxido de nitrogênio 50-3 00 ppm.
Os gases de exaustão que deixam a câmara radianteestão tipicamente a uma temperatura de cerca de 1800 0F (9820C) . Cada chaminé opcionalmente inclui uma seção de convec- ção 13 que inclui equipamento de troca de calor pelo qual ogás de exaustão passa para recuperação de calor. 0 gás deexaustão tipicamente deixa a seção de convecção a uma tempe-ratura de cerca de 300 0F - 500 0F (148,9 - 260 0C), emborao processo de recuperação de calor possa ser ajustado para fornecer temperaturas de gás de exaustão fora desta faixa.Os gases de exaustão de chaminés separadas são então unidose levados por meio de um ventilador 14 para o sistema des-NOx 10. 0 ventilador 14 aumenta a pressão do gás de exaustãopara mover o gás pelo sistema des-NOx 10.
Referindo-se agora à figura 2, em uma modalidade,o reator de fase gasosa de fluxo paralelo 2 0 inclui umablindagem do reator 21 que possui uma superfície interior21a e uma superfície exterior 21b. A blindagem 21 inclui umaentrada da corrente de gás 21c, pela qual gás de entrada contendo uma concentração inicial de NOx é recebido, uma sa-ída da corrente de gás 21d, pela qual o gás tratado contendouma concentração reduzida de NOx é descarregado, e uma pas-sagem 2 Ie que se comunica com a saída da corrente de gás21d, dando condições para a passagem de gás tratado por ela.
0 injetor 22 pode ser de qualquer tipo de injetorconhecido na tecnologia para introduzir um agente redutor.Tipicamente, tais injetores incluem uma porção tipo gradeposicionada na corrente do gás de entrada à montante do lei-to catalítico. A porção tipo grade inclui uma coleção de tu-bos pulverizadores, com bicos injetores arranjados de umamaneira uniformemente distribuída. Geralmente, o agente re-dutor é injetado numa direção oposta à do fluxo de gás deentrada. O agente redutor é preferivelmente amônia, apesarde que, alternativamente, ou adicionalmente, possa incluiruréia, um alquilamina ou outro agente redutor adequado. 0injetor 22 pode ficar posicionado na entrada 21c ou à mon-tante da entrada 21c.
O reator inclui pelo menos dois leitos catalíticos23, cada leito contendo pelo menos um catalisador para a re-dução seletiva de óxido de nitrogênio. A temperatura prefe-rida para a reação de redução catalítica seletiva ficará ti-picamente na faixa de cerca de 380 0F (193,3 °C) a cerca de550 0F (287,8 0C), mais preferivelmente de cerca de 400 0F(204,4 °C) a 450 0F (232,2 °C). Geralmente, quanto mais bai-xa a temperatura, tanto maior a quantidade de catalisadornecessária para conseguir um nível predeterminado de conver-são de NOx. Em casos em que a temperatura do gás de exaustão é indesejavelmente baixa, um queimador ou outra fonte de ca-lor pode ser usado para aumentar a temperatura do gás deexaustão. Alternativamente, a seção de convecção 13 do sis-tema de forno pode ser configurada para fornecer um gás deexaustão que possua uma temperatura adequada para a reduçãocatalítica seletiva de NOx.
Catalisadores para a redução seletiva de óxidos denitrogênio na presença de agente redutor são conhecidos natecnologia. Exemplos representativos de tais catalisadoresincluem, sem se limitarem a estes, óxidos de vanádio, alumí-nio, titânio, tungstênio e molibdênio. Zeólitos podem tambémser usados. Exemplos do último incluem ZSM-5 modificado comprótons ou cátions de cobre, cobalto, prata, zinco ou palá-dio ou suas combinações. Entretanto, deve-se entender que oescopo da presente invenção não está limitado a um catalisa-dor ou composição catalítica SCR específica.
Conforme mostrado na figura 2, diversos leitos ca-talíticos 23a, 23b, 23c, 23d, 23e e 23f ficam espaçados en-tre si e arranjados em planos verticalmente orientados subs-tancialmente paralelos. Os espaços entre os leitos catalíti-cos fornecem passagens para o fluxo da corrente de gás entreeles. Defletores da corrente de gás fabricados de materialimpermeável a gás, tal como chapa metálica, ficam posiciona-dos em uma orientação inclinada entre os leitos catalíticospara direcionar o fluxo paralelo do gás de entrada contendoagente redutor lateralmente pelos leitos catalíticos. Porexemplo, o defletor 24a se estende da borda superior do lei-to catalítico 23a até a borda inferior do leito catalíticoadjacente 23b. 0 defletor 24b se estende da borda superiordo leito catalítico 23b até a borda inferior do leito cata-lítico adjacente 23c. Similarmente, defletores 24c, 24d e24e ficam posicionados entre os respectivos leitos catalíti-cos em uma orientação inclinada e se estendem da borda supe-rior de um leito até a borda inferior do leito adjacente. 0defletor 24f se estende da borda superior do leito catalíti-co 23f até a superfície interna 21a da blindagem. A parede24g se estende da borda inferior do leito catalítico 23a deforma substancialmente horizontal até a superfície interna21a da blindagem, de maneira a prevenir que a corrente dogás de entrada desvie dos leitos catalíticos.
Referindo-se agora à figura 4A, que mostra umaporção da configuração do leito catalítico do reator 20,porções de corrente do gás de entrada G (contendo agente re-dutor) entram nos respectivos espaços entre os leitos cata-líticos 23a, 23b, 23c e 23d. As porções da corrente de gássobem pelos respectivos espaços e são desviados pelos defle-tores inclinados 24a, 24b, 24c e 24d lateralmente e parale-los pelos respectivos leitos catalíticos e para a esquerda(conforme mostrado) , e em seguida o gás tratado emerge dolado oposto do leito catalítico e se move para cima pelo es-paço adjacente ao lado oposto do leito catalítico que cons-titui uma porção de passagem 2 Ie que leva à saída da corren-te de gás 2Id (figura 2) . Todas as porções da corrente degás se movem pelos respectivos leitos catalíticos na mesmadireção.
Referindo-se agora à figura 3, está ilustrada umaconfiguração do reator alternativa, em que o reator 30 in-clui uma blindagem do reator 31 envolvendo um espaço interi-or. A blindagem 31 inclui superfícies interna e externa 31ae 31b, respectivamente, uma entrada 31c, saída 3 Id e umapassagem 3 Ie que se comunica com a saída 31d, dando condi-ções para a passagem do gás tratado por ela. O injetor 32pode ficar posicionado na entrada 31c ou à montante da en-trada 31c. A descrição supra-apresentada em relação ao inje-tor 22 se aplica também ao injetor 32.Conforme mostrado na figura 3, diversos leitos ca-talíticos 31a, 33b, 33c, 33d, 33e e 33f ficam espaçados en-tre si e arranjados em planos orientados verticalmente deforma substancialmente paralela. Os espaços entre os leitos catalíticos fornecem passagens para o fluxo da corrente degás entre eles. 0 espaço 31e' entre o leito catalítico 33a ea superfície interna 31a da blindagem é parte da passagem31e, e dá condições para a passagem do gás tratado para asaída 31d. 0 espaço 35a entre leitos catalíticos 33a e 33brecebe parte da corrente do gás de entrada contendo o agenteredutor. 0 espaço 31e'' entre leitos catalíticos 33b e 33c éparte da passagem 3Ie e dá condições para a passagem do gástratado para a saída 31d. 0 espaço 35b entre os leitos cata-líticos 33c e 33d recebe uma outra parte da corrente do gás de entrada contendo o agente redutor. 0 espaço 3Ie''' entreos leitos catalíticos 33d e 33e é parte da passagem 31e, edá condições para a passagem do gás tratado para a saída31d. 0 espaço 35c entre os leitos catalíticos 33e e 33f re-cebe ainda uma outra parte da corrente do gás de entrada contendo o agente redutor. 0 espaço 3Ie"" entre o leito ca-talítico 33f e a superfície interna 31a da blindagem sãoparte da passagem 3 Ie que dá condições para a passagem dogás tratado para a saída 31d.
Defletores da corrente de gás fabricados de mate- rial impermeável a gás, tal como chapa metálica, ficam posi-cionados entre os leitos catalíticos para direcionar o fluxoparalelo de gás de entrada contendo o agente redutor late-ralmente pelos leitos catalíticos. Por exemplo, o defletor34a se estende horizontalmente da borda superior do leitocatalítico 33a até a borda superior do leito catalítico ad-jacente 33b. O defletor 34c se estende horizontalmente daborda superior do leito catalítico 33c até a borda superiordo leito catalítico adjacente 33d. O defletor 34e se estendehorizontalmente da borda superior do leito catalítico 33eaté a borda superior do leito catalítico 33f. Defletores34a, 34c e 34e direcionam o gás lateralmente pelos respecti-vos leitos catalíticos. A parede 34f se estende horizontal-mente da superfície interna 31a da blindagem até a borda in-ferior do leito catalítico 33a para prevenir que a correntedo gás de entrada contendo o agente redutor desvie do leitocatalítico, entrando na passagem 31e diretamente pelo espaço31e'. A parede 34b se estende horizontalmente da borda infe-rior do leito catalítico 33b até a borda inferior do leitocatalítico 33c para prevenir que a corrente do gás de entra-da contendo o agente redutor desvie do leito catalítico en-trando na passagem 3Ie diretamente pelo espaço 31e". A pare-de 34d se estende horizontalmente da borda inferior do leitocatalítico 33d até a borda inferior do leito catalítico 33epara prevenir que a corrente do gás de entrada contendoagente redutor desvie do leito catalítico, entrando na pas-sagem 31e diretamente pelo espaço 31e' ' ' . A parede 34g seestende horizontalmente da superfície interna 31a da blinda-gem até a borda inferior do leito catalítico 33f para preve-nir que a corrente do gás de entrada contendo o agente redu-tor desvie do leito catalítico entrando na passagem 3Ie di-retamente pelo espaço 31e"".Referindo-se agora á figura 4B, que mostra umaporção da configuração do leito catalítico do reator 30,porções da corrente do gás de entrada G (contendo agente re-dutor) entram no espaço 35b entre os leitos catalíticos 33c e 33d. A corrente de gás sobe pelo espaço 35b e é desviadapara a esquerda e direita (conforme mostrado) pelo defletor34c e lateralmente e paralela pelos leitos paralelos adja-centes 33c e 33d. O gás tratado emerge dos lados opostos dosleitos catalíticos 33c e 33d nos espaços 31e" e 31e"'.
O catalisador SCR pode ter a forma de catalisadorparticulado, monolítico ou produzido por microengenharia("MEC"), e pode ser suportado em materiais tais como titâ-nia, zeólito, carbono, zircônia, cerâmica ou sílica-alumina.
Referindo-se agora às figuras 5A-5D, o catalisadorpode ter a forma de um monolito 50, que pode incluir umaquantidade de unidades tipo bloco empilhadas 51. O catalisa-dor monolito 50 inclui uma pluralidade de canais paralelos.Conforme mostrado na figura 5c, o monolito 52 possui uma es-trutura tipo favo de mel com canais hexagonais 53. Os ca-nais, entretanto, podem ter qualquer forma adequada, taiscomo quadrada, triangular, formas de T e outras mais. A fi-gura 5D ilustra um monolito 54 que possui canais circulares55. Os monolitos podem ser formados por sinterização ouqualquer outro método conhecido pelos técnicos habilitados.Tipicamente, o catalisador SCR é impregnado no suporte domonolito, de maneira a revestir a superfície interna dos ca-nais pelos quais a corrente de gás escoa para o tratamento.
Em mais uma modalidade, o leito catalítico podeincluir um catalisador produzido por microengenharia("MEC"), em que o catalisador SCR é suportado em uma estru-tura tipo malha que tem uma porosidade superior a cerca de 85%.
0 catalisador MEC está descrito no pedido de pa- tente copendente U.S. no. de série 60/222.261 depositado em31 de julho de 2000 com o número do procurador 415000-530,cujo conteúdo está aqui incorporado na íntegra como referên-cia .
0 material tipo malha é composto de fibras ou ara- mes, tais como uma malha de arame ou de fibra, uma gaze oufeltro de metal, filtro de fibra de metal ou similares. Aestrutura tipo malha pode ser composta de uma camada únicaou pode incluir mais de uma camada de arames: por exemplo,uma estrutura de arame trançada ou uma estrutura de arame tecida e, preferivelmente, é formado de uma pluralidade decamadas de arame ou fibras para formar uma rede tridimensio-nal de materiais. Em uma modalidade preferida, a estruturade suporte é formada de uma pluralidade de camadas de fibrasque são orientadas aleatoriamente nas camadas. Um ou mais metais podem ser usados na produção de uma malha de metal.Alternativamente, as fibras da malha podem incluir materiaisalém dos metais.
Em uma modalidade preferida em que a estruturatipo malha é composta de uma pluralidade de camadas de fi-bras para formar a rede tridimensional de materiais, a es-pessura de tal suporte é de pelo menos cinco mícrons, e ge-ralmente não excede dez milímetros. De acordo com uma moda-lidade preferida, a espessura da rede é de pelo menos 50 mí-crons e mais preferivelmente pelo menos 100 mícrons e geral-mente não excede 2 milímetros.
Em geral, a espessura ou diâmetro das fibras queformam a pluralidade de camadas de fibras é menor do quecerca de 50 0 mícrons, preferivelmente menor do que cerca de150 mícrons e mais preferivelmente menor do que cerca de 30mícrons. Em uma modalidade preferida, a espessura ou diâme-tro das fibras vai de cerca de 8 a cerca de 25 mícrons.
A estrutura tipo malha tridimensional pode serproduzida por métodos conhecidos, tal como qualquer um dosdescritos nas patentes U.S. no. 5.304.330, 5.080.962,5.102.745 ou 5.096.663, cujos teores estão aqui incorporadosna íntegra como referência. Entretanto, deve-se entender quetal estrutura tipo malha pode ser formada por outros proce-dimentos além dos descritos nas patentes supramencionadas.
A estrutura tipo malha que é empregada na presenteinvenção (sem o catalisador suportado na malha) tem uma po-ros idade ou volume de vazios que é maior do que 85% e prefe-rivelmente é maior do e que 87% e mais preferivelmente émaior do que 90%. A expressão "volume de vazios" na formaaqui usada é determinada dividindo-se o volume da estruturaque está aberta pelo volume total da estrutura (aberturas ematerial de malha) e multiplicando-se por 100.
Em uma modalidade, o catalisador é suportado nomaterial tipo malha sem o uso de um suporte particulado. Emuma outra modalidade, o catalisador para converter óxido(s)de nitrogênio é suportado em um suporte particulado que ésuportado no material tipo malha. 0 termo "particulado" naforma aqui usada inclui, e engloba, partículas esféricas,partículas alongadas, fibras, etc. Em geral, o tamanho departícula médio do particulado no qual o catalisador podeficar suportado não excede 2 00 mícrons, e tipicamente não é maior do que 50 mícrons, com o tamanho de partícula médio namaioria dos casos não excedendo 20 mícrons. Em geral, o ta-manho de partícula médio de tais particulados é pelo menos0,002 mícron e mais geralmente pelo menos 0,5 mícron. Quandoo catalisador suportado no suporte de particulado é revesti - do na malha, o tamanho de partícula médio do suporte do ca-talisador não excede 10 mícrons e, quando aprisionado na ma-lha, geralmente não excede 150 mícrons.
Em uma modalidade da invenção, a estrutura tipomalha que funciona como um suporte para o catalisador tem a forma de um empacotamento estruturado moldado. Este empaco-tamento pode ser configurado na forma descrita a seguir nasmodalidades dadas como exemplo para dar condições para aturbulência da fase gás que escoa sobre o catalisador no re-ator. A estrutura de suporte do catalisador tipo malha pode ser provida com corrugações adequadas a fim de dar condiçõespara maior turbulência, conforme descrito em mais detalhe aseguir. Alternativamente, a estrutura tipo malha pode inclu-ir abas ou geradores de vórtex para gerar turbulência, tam-bém mostrados a seguir. A presença de geradores de turbulên- cia melhora a mistura na direção radial (e longitudinal) etambém melhora o acesso ao catalisador, tanto revestido comoaprisionado na malha, gerando diferencial de pressão localcruzando a malha, e criando assim uma força matriz para ofluxo. 0 empacotamento estruturado pode também ter a formade um módulo, tal como um rolo de uma ou mais chapas que écolocado nos tubos de um reator, de maneira tal que os ca-nais no módulo sigam a direção longitudinal do tubo. 0 rolopode compreender chapas que são planas, corrugadas ou ondu-ladas, ou uma combinação destas, e as chapas podem conteraletas ou furos para promover a mistura. As chapas podemtambém ser modeladas em tiras corrugadas que são separadasumas das outras por uma chapa plana que se ajusta exatamenteno tamanho do tubo e que ficam mantidas juntas por soldas,arames, uma chapa plana cilíndrica, ou combinações destas.
Deve-se entender que o suporte tipo malha que su-porta o catalisador pode ser empregado numa outra forma,além de uma chapa estruturada. Por exemplo, o suporte tipomalha pode ser formado como anéis, partículas, fitas, etc. eempregados em um reator como um leito empacotado.
0 catalisador que é suportado na estrutura tipomalha pode estar presente no suporte tipo malha como um re-vestimento nos arames ou fibras que formam a estrutura tipomalha e/ou podem estar presentes e retidos nos interstíciosda estrutura tipo malha.
0 catalisador pode ser revestido na estrutura tipomalha por uma variedade de técnicas, por exemplo, imersão ouaspersão. As partículas catalíticas podem ser aplicadas àestrutura tipo malha colocando-se em contato a estruturatipo malha com uma composição de revestimento líquida (pre-ferivelmente na forma de um banho de revestimento) que in-clui as partículas dispersas em um líquido sob condiçõestais que a composição de revestimento penetre ou seja absor-vida na estrutura tipo malha e forme um revestimento poroso,tanto na porção interior como exterior da estrutura tipo malha.
O catalisador é suportado na estrutura tipo malhanuma quantidade efetiva para converter óxido(s) de nitrogê-nio. Em geral, o catalisador está presente numa quantidadede pelo menos 5%, e preferivelmente pelo menos 10%, com aquantidade de catalisador geralmente não excedendo 60% emais geralmente não excedendo 40%, todos em peso, com basena malha e no catalisador. Em uma modalidade em que a poro-sidade ou volume de vazios da estrutura tipo malha antes daadição do catalisador suportado é maior do que 87%, a por-centagem em peso do catalisador vai de cerca de 5% a cercade 40%, e, quando a porosidade ou volume de vazios for maiordo que 90%, a porcentagem em peso do catalisador suportadovai de cerca de 5% a cerca de 80%.
Várias modalidades dos empacotamentos estruturaisserão agora descritos. Na figura 6, o empacotamento 2 é dia-gramaticamente representativo de uma pluralidade de chapascorrugadas paralelas de material de malha poroso (aqui refe-rido como material MEC) nos quais as corrugações 4 estão re-presentadas por linhas diagonais, que estão em um ângulo αcom a direção vertical de fluxo f. A figura 6A é representa-tiva da seção transversal de uma corrugação 6. Chapas corru-gadas adjacentes 8 se alternam em 90° entre si.
Na figura 7, uma estrutura de favo de mel monolí-tica convencional 9B é combinada com material de malha MEC9Α da presente invenção para fornecer uma estrutura de leitocataiítico combinada para a conversão SCR de NOx. A estrutu-ra combinada proporciona melhor conversão. Acredita-se que oaumento na conversão seja provocado pela melhor mistura daestrutura, criando uma maior eficiência do monolito de favode mel à jusante.
Referindo-se à figura 8, o material de malha MECpode ser fabricado de elementos 826 de material de chapa epode, opcionalmente, incluir geradores de vórtex para aumen-tar a turbulência do fluxo de gás através dele. Na figura 8,geradores de vórtex opcionais 846 e 848 são triangulares, ese curvam a partir do plano do material de chapa do elemento826. Os geradores 846 e 848 se alternam na direção na qualeles se projetam do plano do material de chapa, conformemais bem visto na figura 8. As corrugações têm uma larguraw. Proporcionando-se uma turbulência adicional, os geradoresde vórtex promovem mais fluxo de fluido pelos poros do mate-rial MEC por causa do diferencial de pressão através deles.As paredes laterais do elemento 826 são inclinadas num ângu-Io β de cerca de 90°. As raízes e cristas se estendem numadireção linear.
0 exemplo a seguir ilustra a operação do reator defase gasosa de fluxo axial e o método de des-NOx desta in-venção .
EXEMPLO
Um reator de fase gasosa de fluxo paralelo mostra-do na figura 2 é empregado para redução catalítica seletivade NOx em uma corrente de gás combustível de dois fornos sobas seguintes condições de gás de exaustão:Vazão = 360.000 lb/h (163,293 kg/h)Temperatura = 360 0F (182 °C)Teor de NOx = 100 ppm.Uma quantidade suficiente de amônia é adicionadaao gás de exaustão para se conseguir a redução desejada deNOx. O catalisador empregado é MEC revestido com catalisadorV205/Ti02. Uma redução de NOx de 90% para 10 ppm requer cercade 54 m3 de MEC catalítico. Este volume é acomodado por umreator de fluxo paralelo contendo 8 leitos paralelos de 0,5metro de espessura e espaçados 0,15 metro uns dos outros. Osleitos têm uma largura e comprimento de 3 metros e 6 metros,respectivamente. A altura dos leitos combinados é cerca de 5metros. Nenhum volume adicional é necessário para compensara mal distribuição de velocidade.O comprimento do leito efetivo pelo qual o gás deexaustão deve passar para o tratamento é somente cerca de0,6 metro. A perda de pressão resultante é somente cerca de0,07 polegada (1,8 milímetro) de H2O através do leito cata-lítico, que é aumentada para 0,2 polegada (0,5 milímetro)por causa de mudanças na direção de fluxo.Ao contrário do reator de fluxo paralelo do exem-plo, para se conseguir a mesma redução de 90% de NOx, um re-ator de fluxo axial emprega um leito de 3x6x4 metros e 10% a20% a mais de volume catalítico para acomodar a mal distri-buição de velocidade nas condições de entrada. A queda depressão num reator como esse é cerca de 5 polegadas de H2O,que é cerca de 25 vezes maior do que do reator do exemploEmbora a descrição apresentada contenha muitasparticularidades, essas particularidades não devem ser in-terpretadas como limitações ao escopo da invenção, mas mera-mente como exemplificações de modalidades preferidas da mes-ma. Técnicos habilitados conjeturarão muitas outras possibi-lidades enquadradas no escopo e espírito da invenção na for-ma definida pelas reivindicações anexas.
Claims (7)
1. Reator de fase gasosa de fluxo paralelo (10,20)para a conversão química de óxido de nitrogênio em uma cor-rente de gás, compreendendo:a) uma blindagem (21) que possui superfícies inte-rior e exterior (21a, 21b), uma entrada da corrente de gás(21c) para receber uma corrente do gás de entrada que possuiuma concentração inicial de óxido de nitrogênio e uma saída(21a) da corrente de gás pela qual o gás tratado de reduzidaconcentração de óxido de nitrogênio em relação à concentra-ção de óxido de nitrogênio da corrente do gás de entrada édescarregada;b) um injetor (22) para introduzir um agente redu-tor na corrente do gás de entrada; e,c) uma pluralidade de leitos catalíticos (23)substancialmente planos dentro da blindagem (21) do reator,cada leito catalítico contendo pelo menos um catalisador deconversão de óxido de nitrogênio para redução catalítica se-letiva de óxido de nitrogênio na corrente do gás de entradapara fornecer um gás tratado de baixa concentração de óxidode nitrogênio, os leitos catalíticos (23) sendo orientadossubstancialmente paralelos, em relação espaçada uns dos ou-tros, e à superfície interior (21a) da blindagem do reatorcom passagens de fluxo de gás entre eles, as passagens cadaqual incluindo um defletor (24) de corrente de gás posicio-nado nela para direcionar o fluxo da corrente do gás de en-trada através de pelo menos por um leito catalítico (23) e ogás tratado para a saída (21a) da corrente de gás, CARACTE-RIZADO pelo fato de que cada leito catalítico (23) é um mo-nólito ou catalisador suportado em uma estrutura tipo malhacorrugada, compreendendo pelo menos um gerador de vórtex(846, 848); ed) um ventilador (14) é incluído para aumentar a pres-são da corrente do gás de entrada dentro da blindagem (21)do reator.
2. Reator, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que o injetor é uma grade injeto-ra posicionada à montante da entrada (21c) da corrente degás da blindagem (21) do reator.
3. Reator, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que cada passagem do fluxo de gástem uma extremidade à jusante e uma extremidade à montante,e em que o defletor (846, 848) posicionado em cada passagemdo fluxo de gás se estende da borda da extremidade à jusantedo leito catalítico (23) até a borda da extremidade à mon-tante de um leito catalítico adjacente (23).
4. Reator, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que cada passagem de fluxo de gástem uma extremidade à jusante e uma extremidade à montante,uma das ditas extremidades à jusante e à montante sendo a-berta, a outra das ditas extremidades à jusante e à montantefechada pelo defletor (846, 848), onde todas as outras pas- sagens de corrente de gás ficam fechadas na extremidade àjusante.
5. Reator, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda:e) um forno (11, 12) que produz um gás de exaustãocontendo óxido de nitrogênio; ef) um conduto para conduzir o gás de exaustão doforno para a entrada da corrente de gás da blindagem (21) doreator.
6. Reator, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que cada leito catalitico é o mo-nolito.
7. Reator, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADO pelo fato de que cada leito catalitico compre-ende um catalisador suportado na estrutura tipo malha tendouma porosidade superior a cerca de 85%.
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