BR112012026633B1

BR112012026633B1 - Reator vertical para efetuar reações bifásicas de gás-líquido, método para melhorar um reator vertical pré-existente do tipo de placas e processo para a produção de ureia

Info

Publication number: BR112012026633B1
Application number: BR112012026633-0A
Authority: BR
Inventors: Lino Carlessi; Alessandro Gianazza
Original assignee: Saipem S.P.A.
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2019-02-19
Also published as: ITMI20100757A1; AR080979A1; RU2012146440A; BR112012026633A2; RU2562648C2; WO2011134648A1; CN102869439B; EP2563506A1; JP2013525389A; CN102869439A; EP2563506B1; JP5828434B2; IT1399757B1

Abstract

reator para efetuar reações bifásicas de gás-líquido. reator vertical para efetuar reações bifásicas de gás-líquido, compreendendo uma pluralidade de placas perfuradas, superpostas e apropriadamente espaçadas entre si ao longo do eixo vertical, em que um septo de divisão é posicionado verticalmente nos setores delimitados por ditas placas. o dito reator é particularmente usado para efetuar reação de síntese direta de uréia a partir de amônia e dióxido de carbono.

Description

“REATOR VERTICAL PARA EFETUAR REAÇÕES BIFÁSICAS DE GÁS-LÍQUIDO, MÉTODO PARA MELHORAR UM REATOR VERTICAL PRÉ-EXISTENTE DO TIPO DE PLACAS E PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE UREIA” [0001] A presente invenção se refere a um reator para efetuar reações químicas bifásicas de gás-líquido.

[0002] Mais particularmente, a presente invenção se refere a um reator do tipo de placas, apropriado para realizar reações em um ambiente compreendendo uma fase líquida e uma fase gasosa uma em contato com a outra com um fluxo em cocorrente, particularmente reação de síntese direta de ureia a partir de amônia e dióxido de carbono, em uma alta pressão e temperatura, com a formação intermediária de carbamato de amônio.

[0003] Operações de processo unitárias em fluidos bifásicos de gás-líquido, misturados entre si, tais como, reações químicas, evaporações, separações, etc., são normalmente realizadas em equipamento de coluna vertical compreendendo um corpo cilíndrico oco, capaz, se necessário, de tolerar altas temperaturas e pressões de operação, fechado nas extremidades por tampos hemisféricos, apropriadamente conformados e equipados com as aberturas necessárias para a saída e entrada dos fluidos, em que uma pluralidade de placas perfuradas é arranjada, as placas perfuradas sendo apropriadamente espaçadas, que definem, no corpo cilíndrico, uma série de setores cilíndricos geométricos em comunicação fluida um com o outro.

[0004] Reatores para a síntese direta de ureia a partir de amônia e dióxido de carbono, com a formação de água como subproduto, ou para efetuar reações inversas de hidrólise de ureia presente em soluções aquosas destinadas ao descarte, são de importância particular e difíceis de construir. Ambas as reações são efetuadas a altas pressões e temperaturas e requerem aparelhos específicos para resistir à corrosão salina devido à formação de carbamato de amônio como produto intermediário. Esses aparelhos operam em pressões normalmente variando de 10 a 40 MPa e temperaturas variando de 70 a 300°C, na presença de misturas bifásicas contendo uréia, água, amônia, dióxido de carbono e carbamato de amônio, o último

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2/17 produzido de acordo com a conhecida reação de condensação:

[2 NH3 + C02 + n H2O NH4OCONH2 . n H20] [0005] As condições de operação são preferivelmente uma pressão de 12-25 MPa e uma temperatura de 120 a 240°C.

[0006] Nas instalações industriais normais para a produção de ureia, os aparelhos de alta pressão acima geralmente contêm volumes variando de 10.000 a 400.000 litros. A fim de obter a conversão máxima, as duas fases de gás e de líquido devem ser mantidas tão dispersas quanto possível uma na outra, e mistura por refluxo deve ser reduzida para o mínimo. Para esta finalidade, o reator normalmente consiste de uma coluna vertical com placas, cuja altura pode atingir até mesmo 60 metros, em instalações que têm uma capacidade de acima de 2.000 toneladas/dia. As placas no interior da coluna estão usualmente a uma distância de 50 a 300 cm uma da outra e têm vários tipos de perfurações a fim de melhorar a remistura dos fluidos de processo. Reatores equipados com inúmeros aparelhos e dutos para favorecer a intercomunicação fluida entre os setores definidos por cada par de placas adjacentes, tais como sinos, grades, luvas, tubos ladrão, etc., foram também descritos na arte. Dentre os inúmeros pedidos, as patentes publicadas EP 495418 e US 6.165.315 podem ser mencionadas, por exemplo.

[0007] A despeito das diferentes soluções adotadas nos processos atualmente em uso, o aumento considerável na produção de ureia, requerida pelo mercado com a contínua expansão de seu uso como fertilizante, tem conduzido à construção de reatores de coluna com volume cada vez maior, a fim de manter tempos de contato adequados e permitir a conversão máxima para ureia seja obtida em equilíbrio termodinâmico. A conversão de carbamato de amônio para ureia por eliminação de uma molécula de água é, de fato, uma etapa relativamente lenta e requer que a mistura de reação seja mantida sob condições apropriadas de pressão e temperatura por tempos que variam de 15 a 120 minutos. A fim de obter esses tempos de contato com altos volumes de misturas de reação, a altura do reator e o número de placas devem ser aumentados, com a desvantagem de se ter que usar reatores excessivamente altos, caracterizados por um considerável estorvo,

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3/17 dificuldades na montagem e transporte, em adição ao acesso às partes internas para possíveis inspeções e altas quedas de pressão durante o funcionamento. [0008] Uma das soluções propostas é o uso de dois ou mais reatores por linha de processo, o que, todavia, tem a desvantagem de aumentar a construção, custos de operação e de manutenção da instalação. Não é vantajoso, por outro lado, aumentar o volume do reator por meio do aumento do diâmetro da coluna, pois isto levaria a uma redução considerável na eficiência de conversão para produzir ureia, devido aos fenômenos de mistura por refluxo e difusão da mistura de reação.

[0009] A necessidade por soluções eficazes e econômicas, as quais permitem um aumento na capacidade de produção de reatores para reações bifásicas, e em particular para a síntese de ureia, é, por conseguinte, fortemente sentida.

[0010] A Depositante verificou agora que os problemas acima podem ser superados por meio do reator de acordo com a presente invenção.

[0011] De acordo com isso, a presente invenção primeiramente se refere a um reator para efetuar reações em um ambiente bifásico de gás-líquido, preferivelmente a altas pressões e temperaturas. A presente invenção também se refere a uma instalação compreendendo o dito reator para reações bifásicas e um processo realizado com esta instalação.

[0012] Um primeiro objetivo da presente invenção, por conseguinte, se refere a um reator vertical para efetuar reações bifásicas de gás-líquido compreendendo:

a) uma estrutura oca delimitada por uma parede externa tendo um formato substancialmente cilíndrico, fechada nas extremidades por tampos substancialmente hemisféricos, compreendendo aberturas para a entrada e saída dos fluidos de processo de forma a se ter fases de gás e líquido escoando em cocorrente dentro do reator;

b) uma pluralidade de placas perfuradas superpostas, estendendo-se horizontalmente no interior da estrutura até a superfície interna da parede cilíndrica e apropriadamente espaçadas ao longo do eixo vertical, de forma que entre cada par de placas adjacentes existe um setor em comunicação fluida com o setor respectivamente posicionado acima e/ou abaixo do mesmo;

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4/17 [0013] caracterizado pelo fato de que pelo menos um setor compreende pelo menos um septo de divisão situado entre duas placas adjacentes e perpendiculares a estas, de forma a dividir o respectivo setor em pelo menos duas seções cujos volumes estão em uma proporção entre si de 1/3 a 3/1, preferivelmente de 0,95 a 1,05, mais preferivelmente igual a 1.

[0014] Um segundo objetivo da presente invenção se refere a um método para melhorar um reator vertical pré-existente, do tipo de placas, compreendendo:

b) uma pluralidade de placas perfuradas superpostas, estendendo-se horizontalmente no interior da estrutura até a superfície interna da parede cilíndrica e apropriadamente espaçadas ao longo do eixo vertical, de forma que entre cada par de placas adjacentes existe um setor (cavidade) em comunicação fluida com dois setores adjacentes respectivamente posicionados acima e/ou abaixo do mesmo;

[0015] caracterizado pelo fato de que em pelo menos um, preferivelmente em pelo menos dois, mais preferivelmente em mais de 90%, até mesmo mais preferivelmente em todos, dos ditos setores, pelo menos um septo de divisão é posicionado entre duas placas adjacentes, e perpendicular a estas, de forma a dividir o respectivo setor em pelo menos duas seções cujos volumes estão em uma proporção entre si de 1/3 a 3/1, preferivelmente de 0,95 a 1,05, mais preferivelmente igual a 1.

[0016] O termo substancialmente cilíndrico, quando usado aqui, se refere a qualquer estrutura redonda similar ao formato da superfície lateral de um cilindro, e também compreende, por exemplo, estruturas tendo uma seção elíptica ou ovoidal.

[0017] O termo substancialmente hemisférico, quando usado aqui, se refere a qualquer estrutura redonda similar ao formato de um hemisfério, e também

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5/17 compreende, por exemplo, estruturas de tampo convexas, com um raio de curvatura não uniforme.

[0018] O termo vertical, quando usado aqui, com referência ao reator ou às suas partes se refere ao posicionamento do aparelho durante seu funcionamento normal.

[0019] O termo adjacente, quando usado aqui, com referência aos setores ou placas do reator, é entendido no sentido longitudinal, isto é, significando imediatamente acima ou imediatamente abaixo na direção vertical.

[0020] O termo comunicação fluida, quando usado aqui com referência a dois corpos ocos, tais como secções, setores, cavidades, significa que pelo menos um fluido, líquido ou gás, é capaz de escoar de um corpo oco para o outro durante o funcionamento.

[0021] O reator de acordo com a presente invenção pode ter várias dimensões e pode ser estruturado de forma variável, dependendo dos processos de reação para os quais ele é projetado. A parede externa pode ter várias espessuras e consistir de diferentes metais, de acordo com as pressões e temperaturas do processo executado no reator e em relação aos fluidos envolvidos. No caso de um reator para a síntese de ureia, as pressões e temperaturas normais são aquelas previamente indicadas, e os fluidos envolvidos são altamente corrosivos sob as condições de processo, e consequentemente os materiais de construção consistem de um corpo de força feito de aço tendo uma espessura considerável, geralmente variando de 50 a 300 mm, preferivelmente de 100 a 250 mm, usualmente revestido, internamente, por uma ou mais camadas consistindo de um metal resistente à corrosão, tal como, por exemplo, Aço AISI 316L (grau de ureia), aço INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo, aços austeníticos-ferríticos especiais, titânio, zircônio e ligas relativas.

[0022] O diâmetro do reator de acordo com a presente invenção pode variar dentro de amplos limites e normalmente varia de 50 a 500 cm. Diâmetros preferidos para a aplicação à síntese de ureia variam de 150 a 400 cm.

[0023] Dois tampos hemisféricos (cabeçotes) são posicionados nas extremidades do corpo cilíndrico do reator, a fim de prover uma melhor distribuição do empuxe de pressão. Aberturas para a entrada e saída dos fluidos, a introdução

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6/17 de possíveis sensores e uma abertura para inspeções (Magnoli) são apropriadamente situados dentro dos tampos hemisféricos e ao longo do corpo cilíndrico.

[0024] Uma variedade de placas perfuradas está presente no interior do reator, estendendo-se horizontalmente e perpendicularmente ou substancialmente perpendicularmente ao eixo principal, de acordo com as técnicas de construção usuais de reatores para reações bifásicas de gás-líquido, como é bem ilustrado, em particular para a formação de ureia, nos documentos previamente ditados. As ditas placas podem se estender sobre toda a seção horizontal do reator, ou deixar uma pequena parte da seção aberta para favorecer ou diferenciar os fluxos das fases líquida e gasosa. Cada uma das placas é equipada com um número de furos, que podem ser furos simples ou compreenderem válvulas ou sinos, apropriados para a regulagem do fluxo e dispersão de gás e líquido e sua mistura e contato recíproco. Uma densidade média dos furos é preferivelmente presente, variando de 100 a 1.000 furos por m², com uma distribuição na superfície da placa que pode ser mais ou menos uniforme, dependendo das condições particulares de uso. Além disso, a densidade dos furos pode também variar significantemente de uma placa para outra no mesmo reator, de acordo com as técnicas de construção normais, dependendo das características reológicas e desejados fluxos das fases de gás e líquido nas diferentes áreas do reator.

[0025] De acordo com a presente invenção, o reator para reações bifásicas de gás-líquido é equipado de uma tal maneira a permitir co-corrente, preferivelmente para cima, escoando as fases gasosa e líquida, misturadas juntas. A altura do reator é selecionada de forma a obter o desejado tempo de contato para levar a reação para o equilíbrio, tanto quanto possível. O número de placas é consequentemente selecionado de forma que a distância entre uma placa e a placa adjacente permite que uma boa dispersão das fases uma na outra seja mantida, de forma a aumentar a superfície de troca, mas reduzir ou totalmente prevenir mistura por refluxo, o que influencia negativamente o atingimento do equilíbrio. As condições preferidas são de forma a obter dentro do setor assim chamado fluxo contínuo (ver a referência

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Perry's Chemical Engineering Handbook, 5th ed., McGraw-Hill, páginas 5-41). Para obter essas condições, o reator vertical da presente invenção usualmente não compreende condutos de descida nos setores entre placas adjacentes.

[0026] Se o reator é usado para a síntese de ureia, as placas estão a uma distância de 50 a 400 cm uma da outra, preferivelmente de 150 a 300 cm, com distâncias que convenientemente aumentam com um aumento no diâmetro. Sob essas condições, o número de placas presente no reator varia de 5 a 40, preferivelmente de 10 a 20. Mais preferivelmente, a distância entre placas adjacentes é mantida mais ou menos constante ao longo de todo o reator, exceto para uma tolerância dentro de +/-10% para exigências de construção.

[0027] As placas são geralmente metálicas, articuladas na superfície interna do reator por meio de soldagem ou preferivelmente aparafusadas, de forma que elas podem ser mais facilmente removidas e substituídas. O metal pelo qual essas placas são compostas, deve ter boas características de resistência e dureza sob as condições de operação do reator, particularmente se fluidos corrosivos ou condições reológicas que induzem fenômenos de erosão se estiverem presentes. No caso da síntese de ureia, as placas preferivelmente consistem de metais ou ligas resistentes à corrosão por carbamato de amônio sob as condições de processo, por exemplo, titânio, zircônio, Aço AISI 316L (grau de ureia), aços austeníticos-ferríticos especiais e preferivelmente aço INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo.

[0028] De acordo com a presente invenção, cada seção obtida pela interposição de um ou mais septos de divisão em um setor convenientemente compreende uma porção da superfície tanto da placa superior quanto da placa inferior em que existe pelo menos um furo para a comunicação fluida com o setor adjacente. A densidade média dos furos preferivelmente varia de 100 a 1,000, mais preferivelmente de 200 a 600, furos/m².

[0029] Na parte superior, geralmente na altura do tampo, o reator de acordo com a presente invenção pode ser equipado com estruturas particulares e partes adicionais, tais como, por exemplo, uma abertura para a saída para cima de parte ou de toda da fase gasosa residual, coletada através de uma linha de tubo apropriada,

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8/17 em adição a uma abertura para captar a fase líquida, e instrumentos para controlar o nível de temperatura e pressão.

[0030] Se o reator é projetado para a síntese de ureia, a mistura de gás-líquido compreendendo os produtos de reação e a parte residual de reagentes não convertidos é preferivelmente captada por meio de um tubo ladrão situado perto do tampo superior (cabeçote) do reator, e enviada para dentro de um duto que sobe verticalmente externamente, ou mais preferivelmente, internamente, paralelo ao eixo do reator propriamente dito, até ele atingir a altura do aparelho de separação e purificação de ureia, em particular o cilindro limpador do ciclo de síntese de alta pressão, cujo topo fica situado na altura que está a 0,5 a 0,8 vezes aquela do reator. Este expediente, bem conhecido para os especialistas no campo, vantajosamente permite que a queda de pressão, devida ao desenvolvimento vertical do reator, seja parcialmente recuperada.

[0031] De acordo com a presente invenção, pelo menos um, preferivelmente pelo menos dois, mais preferivelmente pelo menos 90% e até mesmo mais preferivelmente todos, dos ditos setores delimitados entre duas placas adjacentes, são divididos em pelo menos duas seções por meio de pelo menos um septo de divisão perpendicular, ou substancialmente perpendicular, às ditas placas, preferivelmente, mas não necessariamente, consistindo do mesmo material que as placas propriamente ditas. Septos apropriados para o reator vertical da presente invenção são preferivelmente planos ou compostos por elementos planos unidos conjuntamente, possivelmente formando um ângulo vertical. O termo plano é aqui destinado a se referir ao tamanho e formato geral dos septos ou os elementos dos mesmos, e não exclui septos que são microestruturados de várias maneiras, como corrugados.

[0032] Este septo pode ser do tipo fechado ou tipo aberto. No primeiro caso, o septo do tipo fechado não permite a troca parcial de material entre as seções nas quais o setor é dividido. Para esta finalidade, ele é geralmente soldado de forma vedante ao longo das margens em contato com as placas e com a superfície interna do corpo cilíndrico. No último caso, embora o septo seja fixado às placas e/ou à

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9/17 superfície interna do reator por soldagem parcial ou aparafusamento das margens, ele tem uma ou mais aberturas de comunicação fluida entre as seções que ele delimita. Essas aberturas podem, por exemplo, estar perto das margens externas de cada septo, ao longo de linhas de fixação, ou elas, pode consistir de furos especificamente criados para esta finalidade no septo. Ambas as soluções são incluídas no escopo da presente invenção e permitem que as características do reator sejam otimamente adaptadas aos parâmetros cinéticos e dinâmicos de fluido da mistura de reação. Septos de divisão fixados no reator por aparafusamento são preferidos, por sua maior simplicidade de construção e manutenção.

[0033] Quando o septo de divisão é plano ou substancialmente plano, ele é preferivelmente posicionado de forma que sua superfície fica perto do, ou coincide com o eixo principal do reator, de forma a dividir o setor em que ele é posicionado em seções que têm um volume aproximadamente igual um ao outro, em particular, com uma proporção entre os volumes de quaisquer das duas seções em que o setor é dividido, variando de 1,05 a 0.95. De acordo com isto, quando vários septos de divisão estão presentes em um setor, por exemplo, dois, eles são preferivelmente fixados por interseção deles de modo a formar ângulos diedros, por exemplo, quatro, e dividem o setor em correspondentes seções angulares, mais preferivelmente tendo aproximadamente o mesmo volume.

[0034] De acordo com um aspecto preferido da presente invenção, entre duas placas adjacentes existe somente um único septo de divisão, mais preferivelmente posicionado de forma a interceptar o eixo do reator, isto é, orientado sobre um dos diâmetros das placas adjacentes. Desta última maneira, cada setor é dividido em duas seções que têm substancialmente o mesmo volume e geometria.

[0035] Quando o dito duto vertical interno para enviar a mistura reagida para a unidade de separação está presente, na parte superior do reator, ele é convenientemente posicionado perto da parede interna do reator e cruza somente uma das seções nas quais o setor é dividido.

[0036] De acordo com a presente invenção, cada um dos septos de divisão presentes no reator pode ser posicionado com uma diretriz do plano independente

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10/17 do outro. Caso os setores contenham um único septo de divisão, todavia, verificouse que duas soluções alternativas uma à outra são particularmente vantajosas. Na primeira dessas soluções, todos os septos de divisão são substancialmente alinhados em um único plano geométrico (exceto para insignificantes desvios na construção) contendo o eixo principal do reator vertical. Este arranjo produz, na prática, um reator compreendendo duas linhas de reação paralelas, possivelmente se comunicando parcialmente uma com a outra. Como as duas linhas assim formadas são fechadas no mesmo corpo cilíndrico, elas permitem uma considerável simplificação construtiva com relação à adoção de dois reatores separados em paralelo, especialmente no caso de processos de alta pressão, e evitam recorrer a reatores que são altamente desenvolvidos em altura quando vazões muito altas são necessárias e/ou grandes volumes de fluidos devem ser tratados.

[0037] Na segunda solução vantajosa, o plano de cada único septo de divisão é posicionado verticalmente com um ângulo de 30°a 90°, mais preferivelmente cerca de 90°, com relação ao plano do septo que imediatamente segue ou precedo mesmo ao longo do eixo principal do reator. Este arranjo com divisórias deslocadas induz uma re-mistura transversal dos fluidos que, por conseguinte, segue um trajeto senoidal em sua re-ascensão ao longo do reator. Desta maneira, uma maior mistura das duas fases é obtida.

[0038] Todas das outras combinações possíveis de septos variadamente orientados um com relação ao outro, são, todavia, alternativas incluídas no escopo da presente invenção.

[0039] Uma das vantagens da presente invenção consiste na flexibilidade com que os vários septos de divisão podem ser construídos e arranjados, de forma a serem capazes de otimizar, também com base nas leituras durante o funcionamento, os parâmetros da cinética e da dinâmica de fluidos do reator.

[0040] Os septos de divisão são feitos de materiais selecionados com base no processo em que o reator deve ser usado. Eles vantajosamente consistem do mesmo material com o qual as placas são produzidas, ou um material compatível. A espessura dos septos de divisão não é particularmente crítica, mas normalmente

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11/17 não é muito grande, pois não é sujeita a significantes forças de pressão. A espessura de poucos milímetros, por exemplo, de 1 a 10 mm, preferivelmente de 2 a 5 mm, é suficiente para aplicações normais.

[0041] Verificou-se que, graças à presente invenção, é possível manter o projeto e os parâmetros de processo apropriados e reduzir contemporaneamente a altura do reator por até mesmo 40% com relação àquela necessária para obter a mesma produtividade na ausência dos septos de divisão acima. O diâmetro total do reator é proporcionalmente maior, mas não implica em uma diminuição na eficiência, devido à presença do arranjo particular dos septos de divisão.

[0042] As figuras anexas provêm alguns exemplos ilustrativos e não limitativos, em escala, de acordo com a presente invenção, com referência particular a um reator que pode ser usado para a síntese direta de ureia a altas pressões e temperaturas. Partes que têm a mesma função nas diferentes figuras são indicados com o mesmo número. Para maior clareza, as partes dos aparelhos não necessárias para a compreensão completa e representação da presente invenção foram removidas das figuras.

[0043] A presente invenção é agora descrita, para finalidades ilustrativas, com referência particular às figuras anexas, sem isto representar, de nenhuma maneira, uma limitação de seu escopo como definido nas reivindicações, também em relação às soluções equivalentes à mesma.

[0044] A figura 1 representa esquematicamente uma vista em perspectiva de um reator vertical de acordo com a presente invenção, em que a parede dianteira do corpo cilíndrico foi removida para mostrar os elementos internos mais significantes.

[0045] A figura 2 representa esquematicamente uma vista em perspectiva mais detalhada de um segmento do reator vertical da figura 1, em que os planos dos septos de divisão são deslocados por 90°um com relação ao outro.

[0046] A figura 3 representa esquematicamente uma vista em perspectiva mais detalhada de um segmento do reator vertical de acordo com a presente invenção, em que os planos dos septos de divisão nos setores adjacentes são alinhados um com o outro.

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12/17 [0047] A figura 4 representa esquematicamente um detalhe do reator vertical de acordo com a presente invenção, em que um septo de divisão é posicionado entre duas placas adjacentes com soldagem de vedação.

[0048] A figura 5 representa esquematicamente um detalhe do reator vertical de acordo com a presente invenção, em que um septo de divisão é posicionado entre duas placas adjacentes por meio de aparafusamento e tem aberturas para a comunicação fluida entre as duas seções.

[0049] Na figura 1, um reator de coluna vertical pode ser distinguido, delimitado pelo corpo de força 4, respectivamente fechado nas extremidades pelo tampo inferior 8, em que as entradas 2 e 3 de dióxido de carbono e a corrente compreendendo amônia líquida e carbamato de amônio são inseridas, e o tampo superior 9, em que a mistura reagida é captada, compreendendo a ureia formada no reator, enviada na direção para o cilindro limpador através da linha 1 abandonando o cabeçote. A dita linha 1 pode alternativamente abandonar o reator em uma altura intermediária e ser conectada com um duto arranjado verticalmente no interior do aparelho até ele atingir um tubo ladrão situado no tampo superior do reator para a coleta da fase líquida ou mistura de gás-líquido, de acordo com os casos.

[0050] Ao longo da coluna, uma pluralidade de placas perfuradas 7 delimita um número correspondente de setores 5, nos quais a mistura de reação bifásica escoa durante o funcionamento. Os furos situados em cada placa para permitir a comunicação fluida entre setores adjacentes não são mostrados na figura 1, como podem ser distinguidos, por outro lado, nas figuras subsequentes 4 e 5. Cada setor é dividido em duas seções que têm substancialmente o mesmo volume por meio de um septo de divisão 6, situado perpendicularmente com relação às placas adjacentes e passando através do eixo do reator. Em particular, a figura 1 mostra septos de divisão alternativamente arranjados com os planos girados por 90° um com relação ao outro.

[0051] Com referência à figura 2, na seção de coluna representada, essencialmente os mesmos elementos previamente descritos em relação à figura 1 podem ser distinguidos.

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13/17 [0052] Com referência à figura 3, na seção de coluna representada, essencialmente os mesmos elementos previamente descritos em relação à figura 2 podem ser distinguidos, mas com a diferença importante que os septos de divisão 6 são todos alinhados no mesmo plano.

[0053] Com referência à figura 4, esta ilustra uma modalidade particular da presente invenção, em que o septo de divisão 6 é fixado de forma vedada por meio de soldagens apropriadas 10 e 11 de suas bordas, com a superfície das placas 7 e com a superfície interna do revestimento do corpo de força 4, respectivamente.

[0054] Com referência à figura 5, esta ilustra uma modalidade particular da presente invenção, em que o septo de divisão 6 é fixado à superfície das placas 7 e sobre a superfície interna do revestimento do corpo de força 4, por meio de suportes metálicos aparafusados 13. Esta solução facilita, quando necessário, intervenções de manutenção ou modificação do reator, pois facilita a remoção e substituição dos septos de divisão (e possivelmente das placas, se elas forem também fixadas com parafusos). É também possível modelar e fixar o septo de divisão de forma que, durante o funcionamento, uma porção da mistura de reação migre de uma seção para a outra do mesmo setor.

[0055] As figuras 4 e 5 também representam esquematicamente os furos 12 situados em cada placa 7 para permitir o escoamento ou fluxo da mistura de reação de gás/líquido de um setor para o outro. Esses furos podem também ter formatos diferentes de um formato circular, por exemplo, quadrado ou retangular, e podem ser providos com possíveis elementos tridimensionais, tais como sinos, colares, dobradiças, grades, apropriados para dirigir ou regular o fluxo de uma ou de ambas as fases líquida e gasosa, ou que permitem uma mistura mais eficaz. As dimensões dos furos (largura máxima) normalmente variam de 1 a 10 cm.

[0056] O reator de acordo com a invenção pode ser produzido por aplicação das técnicas de construção normais de equipamento industrial químico deste tipo. Em particular, se o reator é destinado para a síntese ou hidrólise de ureia, os especialistas no campo adotarão as soluções técnicas mais apropriadas e amplamente usadas para obter a operação do equipamento a altas pressões e

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14/17 temperaturas, sob condições de alta agressividade química dos fluidos de processo, valendo-se, por exemplo, de um corpo de força e tampos de aço que têm uma espessura adequada, internamente revestidos com uma ou mais laminas de um metal ou liga resistente à corrosão, como especificado previamente. As placas perfuradas e septos de divisão são então arranjados no interior do reator, normalmente operando através da porta de inspeção, adequadamente espaçados em relação às características de fluxo a serem obtidas. Se dois septos de divisão de interseção são posicionados em um ou mais setores, o arranjo cruzado pode ser obtido, por exemplo, por soldagem da metade de um septo, ortogonalmente na linha central de cada lado do outro septo.

[0057] A Depositante também verificou que uma placa de reator vertical préexistente pode ser modificada para efetuar reações bifásicas de gás/líquido, de forma a obter, no final da intervenção, um reator tendo as mesmas características que o reator de acordo com a presente invenção, com uma eficiência de conversão aumentada durante o funcionamento. Um outro objeto da presente invenção, por conseguinte, se refere a um método para modernizar um reator vertical de placas para processar reações bifásicas, em adição à instalação em que o dito reator é inserido, compreendendo o posicionamento de pelo menos um septo de divisão em pelo menos um setor incluído entre duas placas adjacentes.

[0058] Além disso, o dito método de modernização pode também compreender a remoção de uma ou mais placas e reposicionamento das placas restantes de forma a obter setores entre placas adjacentes tendo uma diferente altura que aquela do reator pré-existente.

[0059] Com o reator de acordo com a presente invenção, ou o reator obtido por meio do método de modernização acima, comprovou-se ser particularmente vantajoso realizar um processo para a produção de ureia por síntese direta a partir de amônia e dióxido de carbono em uma mistura bifásica de gás-líquido, em uma alta pressão e temperatura, com a formação intermediária de carbamato de amônio. Um outro objeto da presente invenção, por conseguinte, se refere ao dito processo em que a formação de ureia é realizada, ou parcialmente ou totalmente,

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15/17 preferivelmente para pelo menos 60%, no reator de acordo com a presente invenção.

[0060] Com o reator de acordo com a presente invenção, a mesma conversão por passagem e produtividade de processo podem ser obtidas como um reator análogo do tipo conhecido, não equipado com septos de divisão, mas com uma altura consideravelmente reduzida com relação ao último, preferivelmente inferior a 20 a 40%. Um reator tendo uma altura reduzida capaz de tratar volumes muito altos de mistura de reação na ausência de septos de divisão, por outro lado, não é capaz de obter uma eficiência de conversão satisfatória.

[0061] Um exemplo não limitativo de uso do reator de acordo com a presente invenção é agora provido para finalidades puramente ilustrativas.

Exemplo [0062] Um reator de acordo com a presente invenção do tipo representado nas figuras 1 e 2, tendo as seguintes características, é usado em um processo para a produção de ureia com uma capacidade de 1.750 toneladas/dia:

Diâmetro interno 265 cm

Altura 2,520 cm

Parede externa feita de aço ao carbono, cerca de 10 cm de espessura Número de placas 9

Distância entre as placas 250 cm [0063] As placas, feitas de aço 25/22/2 Cr/Ni/Mo tendo uma espessura de 0,8 cm, definem um total de 8 setores cilíndricos tendo uma altura de cerca de 250 cm, e compreendendo uma quantidade de furos de cerca de 3 cm em diâmetro, distribuídos em sua superfície com uma densidade de cerca de 400 furos por m².

[0064] Um septo de divisão vertical passando através do eixo do reator é posicionado em cada setor, por aparafusamento, que divide o volume do setor pela metade. O dito septo não compreende furos e consiste de uma lâmina de aço 25/22/2 Cr/Ni/Mo tendo uma espessura de 0,8 cm. Como pode ser bem visto na figura 2, o plano de cada septo de divisão é girado por 90° ao longo do eixo do reator com relação a cada um dos septos imediatamente adjacente.

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16/17 [0065] 54.200 kg/h de uma corrente gasosa de CO2 contendo 750 kg/h de produtos inertes, são introduzidos, através da linha 2, no reator, tendo uma temperatura de 120°C e uma pressão de 16 MPa. Uma corrente de líquido contendo carbamato de amônio e amônia em excesso entra no reator, através da linha 3, a uma temperatura de 135°C e uma pressão de 16 MPa, tendo a seguinte composição:

NH3 114.246 kg/h,

CO2 31.467 kg/h,

H2O 23.660 kg/h [0066] em que o carbamato de amônio é expresso como CO2 e a quantidade de amônia compreende tanto amônia livre quanto aquela ligada ao carbamato de amônio. A mistura de reação que é formada no fundo do reator se eleva através das várias placas e das seções em que os setores são divididos entre uma placa e outra. com cada passagem de placa, a mistura de reação de uma seção é parcialmente misturada com aquela da seção adjacente no mesmo setor, favorecendo a obtenção de equilíbrio homogêneo. O fluxo de material, sob essas condições, é de maneira a prevenir que a turbulência produza uma significante mistura por refluxo. No final, uma corrente de gás/líquido misturada é tomada a partir do cabeçote do reator, através da linha 1, a 190°C e 15,5 MPa, tendo a seguinte composição:

NH3

CO2

Uréia

H2O

Produtos inertes

73.608 kg/h

31.609 kg/h

73,187 kg/h

44.001 kg/h

750 kg/h [0067] em que o CO2 está essencialmente presente em forma salina, como carbamato de amônio. Esta corrente é enviada para as seções de separação e purificação de ureia, operando de acordo com as técnicas conhecidas, a partir das quais uma corrente aquosa de carbamato de amônio e a amônia é reciclada para o reator através da dita linha 3, depois da adição de make-up amônia.

[0068] A conversão por passagem de CO2 para formar ureia, calculada como

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17/17 percentagem de relação molar entre ureia produzida e CO2 total fornecido pelas linhas 2 e 3, é igual a 63%.

[0069] Um reator do tipo tradicional, para obter a mesma conversão para ureia, com as mesmas vazões que aquelas ilustradas acima para produzir 1.750 toneladas por dia de ureia, normalmente tem um diâmetro de 210 cm e uma altura de 4.000 cm.

[0070] A grande vantagem do reator de acordo com a invenção é que, com a mesma eficiência de conversão, ele se torna mais fácil de ser construído e transportado, e a manutenção é facilitada, uma vez que começou a funcionar.

[0071] Para finalidades comparativas, foi também avaliado, através de cálculos de modelo, que um reator tendo as mesmas dimensões que aquelas descritas acima, mas não equipado com os septos de divisão acima, se, operando com o mesmo regime de produtividade de 1.750 toneladas por dia, produziría ureia com uma conversão por passagem de CO2 de 57%.

[0072] Modalidades da presente invenção, diferentes daquelas descritas acima, podem ser obtidas por um especialista no campo, adaptando às várias exigências de aplicação, que representam variantes óbvias, em qualquer caso incluídas no escopo das seguintes reivindicações.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Reator vertical para efetuar reações bifásicas de gás-líquido compreendendo:

a) uma estrutura oca delimitada por uma parede externa (4) tendo um formato cilíndrico, fechada nas extremidades por tampos hemisféricos (8, 9), compreendendo aberturas para a entrada e saída dos fluidos de processo de forma a se ter fases de gás e líquido escoando em co-corrente dentro do reator;

b) uma pluralidade de placas perfuradas superpostas (7), estendendo-se horizontalmente no interior da estrutura até a superfície interna da parede cilíndrica (4) e apropriadamente espaçadas ao longo do eixo vertical, de forma que entre cada par de placas adjacentes existe um setor (5) em comunicação fluida com o setor respectivamente posicionado acima e/ou abaixo do mesmo;

caracterizado pelo fato de que pelo menos um setor (5) compreende um único septo de divisão plano (6) situado entre duas placas adjacentes, e perpendicular a estas e fixados à superfície de cada placa (7) e sobre a superfície interna do revestimento da parede externa (4), de forma a dividir o respectivo setor em duas seções cujos volumes estão em uma proporção entre si de 1/3 a 3/1.
2. Reator vertical de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as duas seções cujos volumes estão em uma proporção entre si de 0,95 a 1,05.
3. Reator vertical de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as duas seções cujos volumes estão em uma proporção entre si igual a 1.
4. Reator vertical de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos dois setores definidos por placas adjacentes compreendem pelo menos um septo de divisão.
5. Reator vertical de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos 90% dos setores definidos por placas adjacentes compreendem pelo menos um septo de divisão.
6. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um setor compreende

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2/3 um único septo de divisão plano.
7. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o número de placas varia de 5 a 40.
8. Reator vertical de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o número de placas varia de 10 a 20.
9. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a distância entre placas adjacentes varia de 50 a 400 cm.
10. Reator vertical de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a distância entre placas adjacentes é quase constante e varia de 150 a 300 cm.
11. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que as placas e septos de divisão consistem de um metal ou liga selecionados entre titânio, zircônio, Aço AISI 316L, aços austeníticos-ferríticos, aço INOX 25/22/2 Cr/Ni/Mo.
12. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a densidade média dos furos varia de 100 a 1000 furos por m^2.
13. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 12, caracterizado pelo fato de que todos dos septos de divisão simples são alinhados em um único plano geométrico contendo o eixo principal do reator vertical.
14. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a

12, caracterizado pelo fato de que o plano de cada único septo de divisão é posicionado verticalmente com um ângulo de 30° a 90° com relação ao plano do septo que imediatamente segue ou precedo mesmo ao longo do eixo principal do reator.
15. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um septo de divisão é fixado de forma vedada por soldagens de suas bordas.
16. Reator vertical de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a

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3/3

14, caracterizado pelo fato de que o dito pelo menos um septo de divisão é fixado por meio de suportes metálicos aparafusados.
17. Método para melhorar um reator vertical pré-existente do tipo de placas, compreendendo:

a) uma estrutura oca delimitada por uma parede externa tendo um formato cilíndrico, fechada nas extremidades por tampos hemisféricos, compreendendo aberturas para a entrada e saída dos fluidos de processo;

b) uma pluralidade de placas perfuradas superpostas, estendendo-se horizontalmente no interior da estrutura até a superfície interna da parede cilíndrica e apropriadamente espaçadas ao longo do eixo vertical, de forma que entre cada par de placas adjacentes um setor é obtido que está em comunicação fluida com o setor posicionado acima e/ou abaixo do mesmo, respectivamente;

caracterizado pelo fato de que um único septo de divisão plano é posicionado em pelo menos um, preferivelmente em mais que 90%, mais preferivelmente em todos dos ditos setores, arranjado entre duas placas adjacentes, e perpendicular a estas e fixados à superfície de cada placa (7) e sobre a superfície interna do revestimento da parede externa (4), de forma a dividir o respectivo setor em duas seções cujos volumes estão em uma proporção entre si de 1/3 a 3/1, preferivelmente de 0,95 a 1,05, mais preferivelmente igual a 1.
18. Processo para a produção de ureia por meio de síntese direta a partir de amônia e dióxido de carbono com a formação intermediária de carbamato de amônio, caracterizado pelo fato de que a reação de síntese é realizada em uma mistura bifásica de gás-líquido, em uma alta pressão e temperatura, em um reator vertical conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 16.