BR102012020943A2 - Reator trocador para a produção de hidrogênio com feixe de geração vapor integrado - Google Patents

Reator trocador para a produção de hidrogênio com feixe de geração vapor integrado Download PDF

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BR102012020943A2
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Fabrice Giroudiere
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Abstract

REATOR TROCADOR PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO COM FEIXE DE GERAÇÃO VAPOR INTEGRADO. A presente inveção refere-se a um reator trocador, destinado à utilização de reações endotérmicas, tal como a vapo-refinação de cortes petrolíferos ou de alcoóis, integrando um feixe de geração de vapor que permite aumentar-lhe a eficácia térmica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REATOR TROCADOR PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO COM FEIXE DE GERAÇÃO VAPOR INTEGRADO".
A invenção refere-se ao campo dos reatores trocadores, desti- nados à utilização de reações endotérmicas, tais como a vapo-refinação de cortes petrolíferos ou de alcoóis, visando a produção de gás de síntese.
Esse tipo de reator é conhecido da técnica anterior e pode-se encontrar uma descrição nas patentes US4919844, US4690690, W02003031050, W003/035242.
O princípio desse reator trocador consiste esquematicamente em fazer circular fumaças quentes, podendo atingir na entrada do reator 1200 0C, em torno de um conjunto de tubulações no interior das quais se desenrola uma reação endotérmica ou um conjunto de reações globalmente endotérmica. A eficácia térmica desse reator trocador é essencialmente de- terminada pela temperatura de saídas fumaças.
A presente invenção tem por finalidade melhorar a eficácia tér- mica desse reator trocador, reduzindo a temperatura de saída das fumaças, isto processamento integração no interior mesmo desse reator trocador de um feixe de geração de vapor de água convenientemente disposto.
Na seqüência do texto, considerar-se-á o exemplo da reação de vapo-refinação do gás natural, como representativa das reações endotérmi- cas referidas pelo reator trocador, objeto da presente invenção. Mas mais geralmente, a presente invenção se refere a todas as reações endotérmicas para as quais o fornecimento de calorias pode ser feito por fumaças quentes.
A reação de vapo-refinação ocorre a temperaturas muito eleva- das, tipicamente 900 0C e sob pressão, tipicamente de 2 a 3 MPa (20 a 30 bar). Resulta daí que a reação é utilizada em um conjunto de tubulações, única solução economicamente confiável, em razão da manutenção mecâni- ca dos materiais. Esses reatores catalíticos são, portanto, constituídos de uma multidão de tubulações, tipicamente da ordem de 200 a 400 tubulações, para unidades que produzem 100000 Nm3/h de hidrogênio.
Essas tubulações são aquecidas por fumaças quentes geradas a montante do reator trocador, por exemplo, em uma câmara de combustão externa, ou a inda por uma turbina geradora de gás quente seguida de uma câmara de combustão externa, conforme é o caso no reator trocador descri- to na patente FR 2 852 358.
As tubulações podem ser de tipo baionetas, de forma a ter as
entradas de reagentes e as saídas de produto na mesma extremidade. AS tubulações baionetas ficam suspensas na abóbada superior do reator troca- dor, o que facilita a gestão das dilatações térmicas. Um exemplo de reator - trocador de grande tamanho é o reator "HyGenSys" descrito na patente FR 2 918 904. Esse reator trocador compreende um grande número (superior a 50) de tubulações contidas em uma calandra de grande diâmetro (vários me- tros) e com diferenças de pressão elevadas entre o lado procedido (ou lado tubulação) e o lado fumaças (ou lado calandra). Uma solução também co- nhecida para melhorar os coeficientes de troca entre as fumaças e as tubu- lações baionetas no interior das quais se desenrolam reações endotérmicas é de terá velocidades de circulação das fumaças elevadas, notadamente fazendo-as passar em torno das tubulações baionetas em tubulações que serão denominadas tubulações encaminhadas ou mais simplesmente cha- miné, cada chaminé que envolve uma tubulação baioneta. De acordo com a técnica anterior (patente FR 2 918 904) essas
chaminés são fixadas e suportadas por uma placa horizontal fixada nas pa- redes da calandra do reator trocador. Esta pode ser classicamente reforçada por baixo ou por cima com o auxílio de vigas, a fim de minimizar sua espes- sura.
As fumaças quentes transferem uma parte de sua energia às tu-
bulações baionetas, mas estão ainda muito quentes na saída do reator- trocador (entre 550 0C e 700 0C, e tipicamente entre 600 e 650 0C). A eficá- cia térmica não é, portanto, muito elevada, e um dos objetos da presente invenção é de melhorar a eficácia térmica desse reator trocador por diminui- ção da temperatura de saída das fumaças.
EXAME DA TÉCNICA ANTERIOR
Quando da utilização de um reator - trocador com fumaças sob pressão (tipicamente entre 2 e 5 bárias relativos), torna-se muito difícil de eralizar as conexões de saídas das fumaças, quando estas estão a tempera- turas superiores a 550 0C. Segundo a técnica anterior, é preciso isolar termi- camente o interior da tubulação de saída, de forma que o flange esteja a uma temperatura suficientemente baixa, mas esse modo de realização im- põe um diâmetro de tubulação ainda mais importante, podendo levar a pro- blemas mecânicos sobre a virola do reator - trocador que ela mesma deve permanecer a uma temperatura relativamente baixa (tipicamente inferior a 300 0C) para permanecer economicamente confiável. Por outro lado, na solução da técnica anterior, as fumaças que
saem pelo alto do reator - trocador, devem ser coletadas e descidas no nível do solo para alimentar os equipamentos a jusante geralmente colocados so- bre o solo (câmara de combustão secundária ou expansor ou gerador de vapor). Ora, essa linha quente de descida das fumaças deve também ser isolada internamente, o que a torna volumosa e onerosa. Por outro lado, ela é fonte de desperdícios térmicos que penalizam a eficácia global do sistema.
A presente invenção permite eliminar essa linha de descida das fumaças, melhorando a eficácia térmica do reator trocador.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS A figura 1 representa uma vista esquemática do reator trocador,
de acordo com a invenção, no qual se colocou em evidência o circuito de geração de vapor, compreendendo a fonte de alimentação (9), o feixe de tubulações de geração de vapor (5), o coletor superior (7) e o balão separa- dor (6).
A figura 2 representa uma vista em corte do reator trocador,
permitindo distinguir o espaço central dedicado às tubulações baionetas do processo, e o espaço periférico contendo as tubulações de geração de va- por.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO A presente invenção pode se definir como um reator trocador
destinado à utilização de reações endotérmicas, comportando uma plurali- dade de tubulações baionetas suspensas na abóbada superior (2) desse reator e estendendo-se até o nível do fundo inferior (3), as tubulações baio- netas (4) sendo utilizadas para efetuar a(s) reação(ões) química(s) endotér- mica(s) e ficando contidas em uma calandra (1), comportando uma tubula- ção de entrada (E) para as fumaças quentes que fornecem as calorias às tubulações baionetas (4) e pelo menos uma tubulação de saída (S) para a evacuação das fumaças após troca térmica, o reator trocador comportando, além disso, um feixe de geração de vapor constituído de uma pluralidade de tubulações de geração de vapor sensivelmente verticais (5) também sus- pensas na abóboda superior (2) do reator trocador e estendendo-se até o nível do fundo inferior (3), e contidas m um espaço periférico (8) compreen- dido entre uma coluna interna (Bi) sensivelmente paralela à parede vertical da virola (1) e essa parede vertical (1). Essa coluna interna (Bi) possui pelo menos uma abertura (Oi), permitindo a transferência das fumaças (10), a partir do núcleo do reator para o espaço periférico (8). As tubulações verti- cais (5) que servem à geração vapor são alimentadas com água por uma fonte inferior (9) situada na parte inferior do espaço periférico (8) e a mistura líquida vapor oriunda das tubulações verticais (5) é coletada em um coletor superior (7) situado acima da abóbada superior (2) do reator trocador sensi- velmente no mesmo nível que o balão separador (6). De acordo com uma primeira variante do reator trocador, segun-
do a invenção, cada tubulação de geração de vapor (5) é envolvida por uma tubulação, permitindo canalizar as fumaças em torno da tubulação de gera- ção de vapor (5).
De acordo com uma segunda variante do reator trocador, con- forme a invenção, um sistema de chicanas fixadas nas paredes do espaço periférico (8) permite às fumaças (10) circularem, de maneira sensivelmente perpendicular as tubulações verticais (5).
De maneira preferida, a abertura (Oi), que permite a passagem das fumaças, a partir do núcleo do reator no espaço periférico (8), fica situa- da na parte superior da coluna interna Bi.
No reator trocador, segundo a presente invenção,o volume peri- férico (8) corretamente dimensionado pode representar menos de 10 % e, preferencialmente menos de 5 % do volume total do reator trocador.
O reator trocador, de acordo com a invenção, pode-se, em parti- cular ser utilizado para a aplicação do processo de vapo-refinação de um corte petrolífero ou de gás natural ou de álcool.
Nesse caso, a velocidade das fumaças no espaço periférico (8)
está geralmente compreendida entre 20 m/s e 80 m/s e, preferencialmente, compreendida entre 30 m/s e 60 m/s.
Sempre no âmbito da utilização do reator trocador, segundo a presente invenção, em um processo de vapo-refinação de um corte petrolífe- ro ou de gás natural ou de álcool, as fumaças penetram no reator trocador a uma temperatura próxima de 1200 0C, e deixam esse reator trocador a uma temperatura preferencialmente inferior a 400 0C.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
A presente invenção pode se definir como um reator trocador com eficácia energética melhorada pela colocação de um feixe de geração de vapor inteiramente integrado a esse reator, isto é, colocado em um espa- ço periférico em relação ao núcleo do reator ocupado pelo feixe de tubula- ções baionetas, e permitindo melhor esgotar as fumaças.
A solução, objeto da invenção, consiste em resfriar as fumaças, após sua primeira troca com as tubulações baionetas (4), permitindo a reali- zação das reações químicas do processo, gerando vapor antes de sua saída do reator-trocador (1) em um espaço (8) situado na periferia do reator troca- dor.
Para isto, tubulações de geração de vapor verticais (5) são insta- Iadas na periferia do reator- trocador (1) no interior do espaço periférico (8) delimitado, por um lado, por uma coluna interna (Bi) sensivelmente vertical que se estende a partir do fundo inferior (3) até à abóboda superior (2) e, por outro lado, pela parede vertical da virola (1) do reator trocador. Essas tubu- lações de gearção de vapor verticais (5) ficam suspensas a partir da abóbo- da superior (2) do reator e ficam livres para se dilatarem para baixo.
As tubulações verticais (5) são alimentadas com água líquida, a partir de um balão de vapor (6) posicionado preferencialmente a uma altura superior àquela do nível superior do reator trocador (1) por uma fonte anular inferior (9). Essa fonte inferior (9) é alimentada com água a partir do balcão separador (6), por meio de um conduto de água sensivelmente vertical (11), ela mesma situada no interior do espaço periférico (8).
Nas tubulações de geração de vapor (5), a água se vaporiza
parcialmente, tipicamente entre 5 % e 100 % de vaporização, por troca tér- mica, com as fumaças (10) que descem no espaço periférico ()8) do reator trocador (1), a partir da abertura (Oi) até a tubulação de saída (S).
As tubulações de geração de vapor (5) são conectadas na parte alta a um coletor superior (7) externo ao reator, permitindo coletar o vapor ou a mistura água/ vapor antes de alimentar o balão superior (6).
As fumaças (10) são assim resfriadas embaixo de 400 0C, prefe- rencialmente entre 300 0C e 350 0C, o que permite tirá-las do reator- =trocador (1) por pelo menos um flange (S) de metalurgia padrão, de tipo inox 316, por exemplo. Esse flange (S) (ou esses flanges (S)) é preferenci- almente colocado na parte inferior do reator trocador.
O refratário (R) é disposto ao longo do fundo inferior (3), ao lon- go da parede da coluna Bi, do lado orientado em direção às tubulações do processo, e ao longo da parede vertical da virola (1). O espaço periférico (8) assim formado para o circuito das fuma-
ças (10) permite minimizar as perdas térmicas. Por outro lado, a temperatura muito baixa das fumaças nas proximidades da virola (1) permite minimizar a espessura de refratário (R) disposto ao longo da parede vertical da virola (1).
As tubulações de geração de vapor (5) podem ser munidas de alhetas externa, a fim de aumentar o coeficiente de troca com as fumaças.
A fonte anular inferior (9) é alimentada por uma linha (11) de á- gua líquida no ponto de bolha proveniente do balão de vapor (6), seja por termo-sifão (diferença de densidade entre a água líquida e a água perfeita- mente vaporizada), seja por uma bomba, notadamente se o balão vapor não é posicionado suficientemente alto.
A linha inferior (14) liga a fase líquida do balão separador (6) ao coletor superior (7). A linha superior (13) liga o coletor superior (7) à fase vapor do balão separador (6).
As fumaças oriundas da tubulação de entrada (E) se estendem, a partir do núcleo do reator até a coluna interna (Bi), e penetram no espaço periférico (8) contendo as tubulações de geração de vapor (5) por pelo me- nos uma abertura (Oi) feita na coluna interna (Bi), e deixam esse espaço periférico (8) pela tubulação de saída (S) situada na parte inferior da virola (1). A(s) abertura(s) (Oi) é(são) preferencialmente feita(s) na parte superior da coluna Bi conforme indicado na figura 1. A fim de forçar a troca entre as fumaças (10) e as tubulações de
geração de vapor (5), chicanas (não representadas nas figuras 1 e 2) podem ser instaladas, de maneira que as fumaças (10) sejam obrigadas a cruzar as tubulações (5), mais do que alongá-los.
De acordo com um outro modo de realização, as tubulações de geração do vapor (5) podem ser eles próprios dispostos em tubulações (não representados nas figuras 1 e 2) que canalizam as fumaças (10) para acele- rar essas fumaças e intensificar a troca térmica com as tubulações de gera- ção vapor (5).
O feixe de troca (5) pode também ser utilizado para superaque-
cer o vapor.
EXEMPLO, DE ACORDO COM A INVENÇÃO
Um exemplo de aplicação da invenção foi feito para uma unida- de de produção de 100 000 N m3/h de hidrogênio puro. Para essa capacida- de, o reator HyGenSys é composto de 301 tubulações catalíticos de 15 m de altura.
Supõe-se um passo entre tubulações de 450 mm. Supõe-se que se gera uma parte do vapor necessário ao processo por um trocador interna ao reator ligado a um balão de vapor e que funciona em termo-sifão.
A quantidade de calor necessária à vaporização é de 30 MW. O processo produz uma fluxo de 400 T/h de fumaças a uma pressão de 0,03 MPa (3 bar) abs na entrada do reator.
A temperatura das fumaças na saída da seção de vaporização é de 375 0C.
As tubulações de vaporização são de diâmetro externo 50 mm e de diâmetro interno 44 mm.
Essas tubulações de vaporização ficam situadas em uma zona anular de 120 mm de largura situada na periferia do reator. A velocidade das fumaças entre as tubulações é de 92 m/s.
O coeficiente de troca global é de 285 W/m2/°C e a troca neces- sita dispor 210 tubulações da mesma altura que as tubulações catalíticas.
O passo entre tubulações é assim de 134 mm.
O diâmetro interno do reator, fora o refratário, é de 9 m, enquan-
to seria de 8,76 m sem a seção de vaporização. Assim, o suplemento de volume gerado pela presença do feixe de geração vapor integrado é de 5,2 %, e o ganho em eficácia energética diretamente ligado à temperatura de saída das fumaças é de 32 %.

Claims (7)

1. Reator trocador, destinado à utilização de reações endotérmi- cas, comportando uma pluralidade de tubulações baionetas (4) suspensas na abóboda superior (2) desse reator e estendendo-se até o nível do fundo inferior (3), as tubulações baionetas (4) sendo utilizadas para efetuar a(s) reação(ões) química(s) endotérmica(s) e sendo contidas em uma virola (1) comportando uma tubulação de entrada (E) para as fumaças quentes forne- cendo calorias às tubulações baionetas (4) e pelo menos uma tubulação de saída (S) para a evacuação das fumaças frias, após troca térmica, o reator trocador comportando um feixe de geração de vapor constituído de uma plu- ralidade de tubulações verticais (5), também suspensas na abóboda superior (2) do reator trocador, e contidas em um espaço periférico (8) compreendido entre uma coluna interna (Bi) sensivelmente paralela à parede vertical da virola (1) e essa parede vertical (1) e essa coluna interna (Bi) possuindo pelo menos uma abertura (Oi), permitindo a transferência das fumaças (10), a partir do núcleo do reator para o espaço periférico (8), as tubulações verti- cais (5) servindo à geração de vapor sendo alimentadas com água por uma fonte inferior (9) situada na parte inferior do espaço periférico (8) e a mistura líquida vapor oriunda das tubulações verticais (5) sendo coletada em um co- Ietor superior (7) situado acima da abóboda superior (2) do reator trocador, a linha inferior (14) ligando a fase líquida do balão separador (6) ao coletor superior (7) e a linha superior (13) ligando o coletor superior (7) à fase vapor do balão separador (6).
2. Reator trocador, de acordo com a reivindicação 1, no qual ca- da tubulação de geração de vapor (5) é envolvida por uma tubulação de pa- rede sensivelmente vertical e coaxial à tubulação de geração referido, permi- tindo canalizar as fumaças (10) em torno da tubulação de geração vapor (5).
3. Reator trocador, de acordo com a reivindicação 1, no qual um sistema de chicanas fixadas nas paredes do espaço periférico (8) permite às fumaças (10) circular de maneira sensivelmente perpendicular às tubulações verticais (5).
4. Reator trocador, de acordo com a reivindicação 1, no qual o volume periférico (8) representa menos de 10 %, e preferencialmente menos de 5 % do volume total do reator trocador.
5. Reator trocador, de acordo com a reivindicação 1, no qual a abertura (Oi) que permite a passagem das fumaças, a partir do núcleo do reator no espaço periférico (8) fica situada na parte superior da coluna inter- na Bi.
6. Processo de vapo-refinação de um corte petrolífero ou de gás natural ou de álcool, apelando para o reator trocador, de acordo com a rei- vindicação 1, no qual a velocidade das fumaças no espaço periférico (8) está compreendida entre 20 m/s e 80 m/s e preferencialmente compreendida en- tre 30 m/s e 60 m/s.
7. Processo de vapo-refinação de um corte petrolífero ou de gás natural ou de álcool apelando para o reator trocador, de acordo com a rei- vindicação 1, no qual as fumaças penetram no reator trocador a uma tempe- ratura próxima de 1200 °C, e deixam esse reator trocador a uma temperatu- ra inferior a 400 ℃.
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