BR0315333B1 - Método para realizar reações de oxidação fortemente exotérmicas em condições pseudo-isotérmicas - Google Patents

Description

"MÉTODO PARA REALIZAR REAÇÕES DE OXIDAÇÃO FORTEMENTE EXOTÉRMICAS EM CONDIÇÕES PSEUDO-ISOTÉRMICAS".

Campo da Invenção Em seu aspecto mais amplo, a presente invenção se refere a um método para realizar reações químicas exotérmicas, em condições pseudo-isotérmicas.

No restante da presente descrição e subseqüentes reivindicações, o termo "condições pseudo-isotérmicas" significa aquelas condições em que a temperatura da reação é controlada em uma faixa limitada de valores, em torno de um predeterminado valor ótimo.

Em particular, a presente invenção concerne um método para realizar em condições pseudo-isotérmicas, reações exotérmicas altamente catalisadas, como as reações de oxidação, por exemplo, a oxidação de amônia que proporciona ácido nítrico e a oxidação de metanol que proporciona formaldeído. A presente invenção também se refere a um dispositivo para realização do método acima mencionado.

Estado da Técnica Com relação às reações de oxidação altamente exotérmicas, é bem conhecido que a fim de se evitar condições de operação claramente perigosas, se faz necessário controlar uma ou mais variáveis de operação, como a temperatura da reação e a concentração de pelo menos um reagente.

Assim, por exemplo, na produção de formaldeído através da oxidação de metanol, a alta concentração dos reagentes e a alta condição exotérmica da reação, leva rapidamente à condições explosivas de operação; a partir desse ponto, surge a necessidade de se controlar rigorosamente a concentração dos reagentes e a temperatura da reação, abaixo de valores bem determinados.

Além disso, quando a temperatura da reação e concentração dos reagentes excede os ditos valores, pode ocorrer o fenômeno do "envenenamento" e degeneração do catalisador, com a conseqüente e inevitável queda de rendimento. Este é o caso da oxidação de amônia ao proporcionar ácido nitrico, onde o catalisador à base de C03O4 se submete a uma rápida redução de CoO, uma forma muito menos ativa de C03O4, assim que a concentração do reagente exceder um limite predeterminado, a uma temperatura predeterminada. 0 controle da temperatura e a concentração dos reagentes foi também sugerido para realização de reações do tipo considerado em reatores de leito fluido.

Entretanto, esse tipo de reator sofre de diversos inconvenientes reconhecidos, tais como o excessivo consumo de energia causado pela necessidade de alimentação de grandes quantidades de ar, de modo a manter a concentração de amônia abaixo do limite de explosividade, a maior complexidade construtiva com relação aos reatores de leito fixo e problemas de recuperação de pó.

Além disso, 0 catalisador em movimento dentro dos reatores de leito fluido provoca uma ação corrosiva contra as paredes dos reatores em si.

Resumo da Invenção 0 problema técnico que fundamenta a presente invenção é aquele de proporcionar um método para realizar reações de oxidação altamente exotérmicas, em condições pseudo-isotérmicas, entre os reagentes alimentados em um fluxo continuo a um leito catalítico predeterminado, capaz de superar os inconvenientes acima mencionados com referência ao estado da técnica, em outras palavras, para operar abaixo dos limites de explosividade de mistura de reagentes e de produtos reagentes e para promover um maior tempo de vida do catalisador. 0 problema técnico acima mencionado é solucionado, de acordo com a presente invenção, por um método caracterizado em que pelo menos parte do dito fluxo contínuo de reagentes é alimentado em diferentes pontos do dito leito catalítico, correspondendo a diferentes sucessivos estágios da reação, em respectivas diferentes predeterminadas temperaturas e vazões, onde a concentração dos reagentes é baixa.

No caso não-limitativo de uso de um reator pseudo-isotérmico com um eixo vertical, apresentando um leito catalítico cruzado axialmente pelos reagentes, os sucessivos estágios da reação são definidos em diferentes respectivas alturas no leito catalítico, onde os reagentes são alimentados em predeterminadas vazões e temperaturas.

As características e vantagens do método da presente invenção devem se tornar mais claras a partir da descrição seguinte de um exemplo de uma modalidade da mesma, feito com referência aos desenhos anexos, fornecidos com a finalidade de indicação e não de limitação.

Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 mostra esquematicamente um reator químico para realização do método de acordo com a invenção. A figura 2 mostra esquematicamente uma vista ampliada de um detalhe do reator mostrado na figura 1.

Descrição Detalhada das Figuras Com referência à figura 1, um reator químico com um eixo vertical, usado para realizar reações altamente exotérmicas, por exemplo e preferencialmente reações de oxidação, como a oxidação de amônia para proporcionar ácido nítrico, é totalmente e esquematicamente indicado pela referência numérica (1). 0 dito reator (1) compreende um casco cilíndrico (2), dotado de placas terminais opostas inferior (3) e superior (4) . A placa de extremidade superior (4) é dotada de uma entrada de inspeção (5), enquanto a placa de extremidade inferior (3) é dotada de uma abertura (6) para descarga dos produtos de reação.

No dito casco (2), é definida uma zona de reação (7) , representativamente situada entre uma linha inferior (8) e uma linha superior (9), para receber um predeterminado leito catalítico (L), idealizado para ser atravessado axialmente pelos gases reagentes e pelos produtos de reação. 0 leito catalítico (L) é sustentado de um modo per si conhecido e, portanto, não é representado.

No leito catalítico (L), uma pluralidade de trocadores de calor (10) e uma correspondente pluralidade de dispositivos fornecedores de distribuição (12) são imersos e suportados; os ditos trocadores de calor (10) são retangulares e apresentam o formato de placas, sendo preferencialmente dispostos radialmente, em muitas filas concêntricas e coaxiais ao dito casco e com lados longos (11) paralelos ao eixo do. casco.

Em conformidade com uma característica da presente invenção e de acordo com uma modalidade preferida, em cada trocador (10) é associado, mais particularmente, é fixado, um par de dispositivos fornecedores de distribuição (12) , que se constituem em apropriados suportes para o trocador, como se tornará claro no restante da presente descrição.

Em particular, com referência à figura 2, cada trocador de calor (10) compreende uma parede (27) e uma parede (28), justapostas, unidas no perímetro, por exemplo, através de apropriada soldagem, em uma relação mutuamente distanciada, de modo a formar uma primeira câmara (18) entre as mesmas.

Próximo a um lado (11) do dito trocador (10) e através de uma linha de soldagem (25), tendo uma porção (32) paralela ao dito lado (11) e uma porção (33) perpendicular ao mesmo, é também definida entre as ditas paredes (27) e (28) uma segunda câmara (19), separada à prova de fluido da dita primeira câmara (18). A câmara (18) é dotada de uma adaptação de entrada (29) e uma adaptação de saída (31), enquanto a câmara (19) compreende apenas uma adaptação de entrada (34) .

Duas estruturas em forma de caixa (20) e (22) são fixadas à parede (27) do trocador de calor (10), se estendendo perpendicularmente ao dito lado (1), por toda a largura do respectivo trocador (10) .

As estruturas (20) e (22) definem juntamente com a parede (27) respectivos dutos (21) e (23), em comunicação fluida, de um lado, com a segunda câmara (18) através das aberturas (36) e (37) formadas na parede (27) e, de outro lado, com o lado externo do trocador (10) e, portanto, com o leito catalítico (L), em que o dito trocador (10) é imerso, através de uma pluralidade de furos (26), formados nas próprias estruturas em forma de caixa.

Preferencialmente, os ditos furos (26) são dispostos em alinhamentos retilíneos, que se estendem longitudinalmente na direção das respectivas estruturas (20, 22).

As estruturas (20) e (22), sustentadas por um respectivo trocador (10), constituem essencialmente um dispositivo abastecedor de distribuição (12) para um predeterminado fluido, alimentado às ditas estruturas através da câmara (18). A pluralidade de trocadores (10) com relativos dispositivos fornecedores de distribuição (12), constitui, em conformidade com a presente invenção, um dispositivo adequado para controlar a temperatura e concentração dos reagentes no leito catalítico (L), conforme se tornará mais claro na descrição seguinte. 0 reator (1) também compreende: - dutos de alimentação para predeterminados reagentes (13) e (14), que se encontram em comunicação fluida com a câmara (18) e (19), respectivamente de cada trocador (10), através de um sistema que inclui dutos (15) e (16) e respectivos acessórios (30) e (35); - dutos coletores (17) para os produtos de reação, que se encontram em comunicação fluida, de um lado, com a adaptação de saída (31) de cada trocador e, de outro lado, com um duto central (24) fornecido axialmente no reator.

Com relação ao dispositivo acima mencionado, será descrito agora o método da presente invenção para realizar reações de oxidação altamente exotérmicas em condições pseudo-isotérmicas, para controle simultâneo da temperatura da reação e concentração dos reagentes em torno de respectivos valores predeterminados.

Um fluxo de reagentes, por exemplo, amônia e oxigênio para a produção de ácido nítrico, é continuamente alimentado ao reator (1), sendo separado em duas partes após a entrada.

Uma primeira parte da parte principal do dito fluxo é pré-aquecida à temperatura mais adequada para dar partida à desejada reação (oxidação de amônia) através do trocador de calor com o leito catalítico (L); para tal fim e no caso específico ilustrado, a dita parte principal do fluxo de reagentes é dividida, através do dispositivo distribuidor (12), entre todos os dutos (15) - acessórios (30), para alimentação das câmaras (18) de todos os trocadores (10).

Ao sair da pluralidade de trocadores (10), os reagentes então pré-aquecidos, são coletados pelo coletor (20), que conduz os mesmos para a extremidade inferior do duto central (24). Ao sair da extremidade superior do dito duto (24), os reagentes pré-aquecidos são distribuídos acima do leito catalítico (L), e ao atravessar o mesmo, iniciam a desejada reação de oxidação altamente exotérmica.

Uma segunda parte do dito fluxo de reagentes ou fluxo de controle, é dividida entre todas as câmaras (18) / da pluralidade de trocadores (10), a partir das quais o fluxo é alimentado aos respectivos pares de dispositivos fornecedores de distribuição (19, 20).

Conforme mencionado acima, os ditos dispositivos fornecedores de distribuição (19, 20} são posicionados na massa catalítica do leito (L), em alturas estritamente correspondentes aos estágios da reação, em cujo posicionamento de correspondência é previsto controlar a concentração e temperatura dos reagentes.

De acordo com a presente invenção, tal controle é substancialmente tornado possível mediante injeção em predeterminados pontos do leito catalítico de um fluxo de reagentes recém-preparados, cuja concentração é regulada continuamente, ao se ajustar adequadamente e de uma maneira conhecida per si, a vazão da segunda parte do dito fluxo de reagentes.

Os produtos da reação são descarregados do reator (1) através da abertura (6). A invenção na forma assim concebida, é suscetível a quaisquer variações e modificações, todas as quais sendo cobertas pelo escopo de proteção da presente invenção, o qual é definido pelas reivindicações apresentadas em anexo.

Claims (7)

1. Método para realizar reações de oxidação altamente exotérmicas em condições pseudo-isotérmicas, entre reagentes alimentados em fluxo continuo a um predeterminado leito catalítico (L) , caracterizado em que pelo menos uma parte do dito fluxo contínuo de reagentes é alimentado dentro de uma massa catalítica de dito leito catalítico (L) em diferentes pontos da dita massa catalítica, correspondendo a diferentes sucessivos estágios da reação que ocorre no dito leito catalítico (L) , em respectivas diferentes predeterminadas temperaturas e vazões.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado em que: uma pluralidade de dispositivos fornecedores de distribuição (20, 22) é posicionada no dito leito catalítico (L) , em diferentes pontos do mesmo, correspondendo exatamente a diferentes predeterminados estágios da dita reação de oxidação; - o dito fluxo contínuo de reagentes é dividido em uma primeira parte ou fluxo principal e uma segunda parte ou fluxo de controle, com uma predeterminada temperatura e vazão; - a dita primeira parte ou fluxo principal é pré-aquecido através do trocador de calor com o dito leito catalítico (L) , alimentando o mesmo através de uma pluralidade de trocadores de calor (10) imersos e suportados no dito leito catalítico (L); - o dito fluxo principal de reagentes pré-aquecidos é recuperado e alimentado continuamente ao dito leito catalítico (L); - a dita segunda parte ou fluxo de controle é alimentado à dita pluralidade de dispositivos fornecedores de distribuição (20, 22), para injetar respectivos fluxos recém-preparados de reagentes a uma predeterminada temperatura e vazão dentro do leito catalítico (L).

3. Dispositivo para realizar uma reação de oxidação altamente exotérmica em condições pseudo-isotérmicas, conforme definido na reivindicação 1, compreendendo uma pluralidade de trocadores de calor (10), caracterizado pelo fato de que em cada um dos ditos trocadores é associado pelo menos um dispositivo fornecedor de distribuição (20, 22) , adequado para ser alimentado continuamente por meio de um fluxo de reagentes, a uma predeterminada temperatura e vazão.

4. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado em que o dito pelo menos um dispositivo fornecedor de distribuição (20, 22) é sustentado de modo fixo pelo dito respectivo trocador de calor (10).

5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado em que o dito trocador de calor (10) é de formato de placa e substancialmente retangular, dentro do qual são definidas uma primeira câmara (18), idealizada para ser atravessada por um respectivo fluxo de reagentes a ser pré-aquecido, e uma segunda câmara (19), separada à prova de fluido da dita primeira câmara (18) e em comunicação fluida com o dito pelo menos um dispositivo fornecedor de distribuição (20, 22).

6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado em que o dito dispositivo fornecedor de distribuição (20, 22) compreende uma estrutura fixada a uma parede de um respectivo trocador de calor que apresenta o formato de placa (10), com cuja parede substancialmente se define um duto em comunicação fluida, de um lado, com a dita segunda câmara (19) do trocador (10) e, do outro lado, com o exterior do próprio trocador (10), através de uma pluralidade de furos formados na dita estrutura.

7. Reator para realização de reações de oxidação catalisadas altamente exotérmicas em condições pseudo-isotérmicas, compreendendo um casco no qual é definido uma zona de reação pelo menos parcialmente ocupada por um leito catalítico (L) , caracterizado pelo fato de compreender um dispositivo de acordo com as reivindicações 3 a 6, imerso no dito leito catalítico (L).