BR112013033842B1

BR112013033842B1 - Reator de troca de calor

Info

Publication number: BR112013033842B1
Application number: BR112013033842-3A
Authority: BR
Inventors: Anders Helbo Hansen; Olav Holm-Christensen; Søren Gyde Thomsen
Original assignee: Haldor Topsøe A/S
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2019-09-24
Also published as: CN203916623U; ES1103681Y; WO2013004448A8; KR20140001590U; WO2013004448A1; WO2013004254A1; BR212013033842U2; RU148799U1; DE212012000120U1; ES1103681U

Abstract

reator de troca de calor o presente modelo de utilidade refere-se a um reator de troca de calor para a realização de reações catalíticas endotérmicas ou exotérmicas, com uma vedação melhorada do fluido para reações de alta temperatura, por meio de suporte fixo inferior dos tubos de transferência de calor no reator e na parte superior de deslizamento e suporte selado dos tubos.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um reator de troca de calor para a realização de reações catalíticas endotérmicas ou exotérmicas. Em particular, a presente invenção refere-se a um reator de troca de calor com o fluido de vedação melhorada para reações a altas temperaturas. O reator de troca de calor pode ser parte de um grande aparelho, tal como um aparelho de produção.

[002] Reatores catalíticos para a realização de reações endotérmicas ou exotérmicas são bem conhecidos na técnica, sendo exemplos particulares reatores para a reformação de vapor endotérmico de hidrocarbonetos e reatores para as reações de síntese exotérmicas de metanol (não limitando o âmbito da invenção para estas reações). As reações são tipicamente realizadas em tubos carregados com um catalisador sólido adequado pelo qual uma corrente de processo de gás que compreende os reagentes é passada a uma pressão elevada. Uma pluralidade de tubos está disposta verticalmente ou horizontalmente, no reator. Os tubos correm em paralelo ao longo do eixo principal do reator catalítico, enquanto um meio de troca de calor do lado de fora dos tubos aquece ou arrefece os tubos. O catalisador sólido no interior dos tubos fornece um leito de catalisador em que as reações químicas que são necessárias para tomar lugar. O catalisador pode ser fornecido como partículas sólidas ou como uma estrutura revestida, por exemplo, como uma camada fina fixada na parede interna dos tubos nos reatores de reformação de vapor.

[003] Em outra configuração de reator que compreende uma pluralidade de tubos as partículas sólidas de catalisador podem ser dispostas fora dos referidos tubos, daqui em diante também referidos como os tubos de transferência de calor, enquanto que o meio e troca de calor passa para dentro. Os tubos de transferência de calor do ca

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2/23 talisador sólido do lado de fora provêem o leito de catalisador em que as reações químicas são necessárias tomar lugar.

[004] Outros tipos de tubos de transferência de calor e de reatores de troca de calor são conhecidos na técnica. No que se segue, a invenção é explicada com referência aos reatores de troca de calor e tubos de transferência de calor, com os catalisadores dispostos no interior dos tubos e em que os tubos e o reator são substancialmente dispostos verticalmente. No entanto, o âmbito da invenção não se limita a estes tipos de tubos e de reatores. Os termos reator catalítico, reator de troca de calor e reator são usados alternadamente. Por leito de catalisador entende-se o volume de catalisador sólido, formando o referido leito e que está dentro dos tubos de transferência de calor. Os termos tubos de transferência de calor e tubos são utilizados indiferentemente e abrangem os tubos que se encontram em co ntato com o catalisador, assim como um meio de troca de calor para fins de realização de reações catalíticas.

[005] Um processo e o reator no qual um catalisador está em contato indireto com meio de troca de calor são conhecidos a partir da EP0271299. Esta citação descreve um reator e processo que combina a reformação de vapor e de reformação autotérmica. A zona de reformação a vapor disposta na região inferior do reator compreende uma série de tubos com catalisador disposto no interior, enquanto na zona superior do reator um catalisador de reformação autotérmica está disposto do lado de fora dos tubos de reformação de vapor. A EP-A-1106 570 descreve um processo para a reformação do vapor em reformadores tubulares ligados em paralelo (reatores) compreendendo uma série de tubos de vapor de reformação e sendo aquecido por troca de calor indireta. O catalisador é disposto em um reator do lado de fora dos tubos de reformação de vapor e no interior dos tubos de reformação de vapor no outro reator.

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3/23 [006] WO0156690 descreve um reator de troca de calor incluindo um reservatório externo provido com orifícios de entrada e de saída de gás efluente, uma pluralidade de tubos do reator suportados nas suas extremidades superiores, meios de cabeçalho para fornecimento do gás efluente a partir do referido orifício de entrada do cabeçalho para as extremidades superiores dos tubos do reator, os referidos meios, incluindo dois ou mais cabeçalhos de entrada primária dispostos ao longo da parte superior do referido reservatório, cada cabeçalho de entrada primário possuindo uma profundidade maior do que a sua largura, pelo qual os referidos tubos são suportados, em relação ao reservatório, direta ou indiretamente pelos ditos cabeçalhos de entrada primário.

[007] EP1048343A descreve um reator de tipo permutador de calor que possui uma pluralidade de tubos que apoiam um catalisador, uma seção de reservatório, através da qual um meio de transferência de calor é passado para efetuar a transferência de calor com um fluido de reação nos referidos tubos, e as folhas de tubos inferiores e superiores, as extremidades superiores dos referidos tubos sendo unidas à referida folha do tubo superior por meio de primeiras juntas de expansão fixadas ao lado superior da referida folha de tubo superior, as extremidades inferiores dos referidos tubos sendo fixadas diretamente à folha de tubo inferior flutuantes, um espaço flutuável sendo formado, que é dividido pela referida folha de tubo inferior e uma placa de extremidade interna (cabeça interna) unida ao lado inferior do mesmo e tem uma abertura na parte inferior, e a referida abertura sendo unida por meio de uma segunda junta de expansão de uma saída lateral do tubo para o lado externo do reator.

[008] Devido às condições do processo de reação catalítica, o reator de troca de calor deve ter uma estrutura que pode absorver a expansão térmica diferencial entre os tubos e a alojamento, devido à

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4/23 diferença de temperatura entre os dois. Além disso, a estrutura deve ser capaz de absorver a expansão térmica diferencial entre os tubos, que é causada pela diferença de temperatura entre os tubos, produzida pela diferença de reação e as condições de transferência de calor entre os tubos, a diferença sendo devida à tolerância no diâmetro interno do tubo do reator, a diferença na densidade de empacotamento do catalisador em cada um dos tubos, a diferença sendo devido à tolerância no diâmetro interno do tubo no reator, a diferença na densidade de empacotamento do catalisador em cada um dos tubos, a diferença na atividade do catalisador, a distribuição irregular de um gás de reação que flui através dos tubos, a distribuição irregular de um meio de transferência de calor que flui através da seção do reservatório, e etc. [009] Os reatores de troca de calor convencionais com tubos fixos nas cabeças de tubo e as cabeças de tubos fixas ao alojamento do reator não podem atender a esses requisitos, porque elas não podem lidar com a expansão térmica diferencial entre o alojamento e os tubos ou entre os tubos. Na EP 1048343 a expansão térmica pode ser absorvida pelas primeiras juntas de expansão para cada tubo, e uma segunda junta de expansão em ligação com uma cabeça de tubo inferior flutuante. Assim, a solução para os problemas de expansão descritos pela EP 1048343 requer para ambas primeira e segunda juntas de expansão e ainda a primeira junta de expansão deve ter força suficiente para que possa suportar a carga, devido ao peso dos tubos, catalisadores e a cabeça do tubo inferior bem como a diferença de pressão entre o lado do tubo e o lado do reservatório . Além disso, a segunda junta de expansão da EP 1048343 é, desejavelmente, isolada do fluido da reação ou do fluido de troca de calor, se estes tiverem temperaturas de, por exemplo, 500 °C ou superior, porque é um problema prover juntas estanques a gás para tais temperaturas elevadas. Outra solução é aceitar uma ligeira fuga de gás na junta de expansão, por exem

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5/23 plo, provendo uma vedação de labirinto. Esta não é, contudo, aceitável para todas as aplicações.

[0010] É um objeto da presente invenção prover um reator de troca de calor, que resolve os problemas mencionados, especialmente os problemas de expansão. Outro objetivo é o de prover um reator de troca de calor melhorado, que pode operar a temperaturas elevadas, mas ainda têm uma vedação estanque ao gás entre os tubos e as cabeças dos tubos.

CARACTERÍSTICAS DA INVENÇÃO [0011] 1. Um reator de troca de calor 100 para a realização de reações endotérmicas ou exotérmicas, compreendendo, • um alojamento 101, • o dito alojamento definindo uma parede do reator 102, • uma pluralidade de tubos de transferência de calor 103 dispostos no interior do referido invólucro para o fornecimento ou a remoção de calor em leitos do catalisador 104 disposto no interior ou no exterior dos referidos tubos de transferência de calor, • uma primeira cabeça de tubo 105 localizada na parte superior do alojamento para suportar a parte superior dos tubos de transferência de calor, • uma segunda cabeça de tubo 106 localizada na parte inferior do alojamento para suportar a parte inferior dos tubos de transferência de calor, [0012] Pelo menos, uma primeira câmara de fluido 107, uma segunda câmara de fluido 108 e uma terceira câmara de fluido 109 localizadas no interior do referido alojamento, a referida primeira câmara de fluido está localizada na parte superior do alojamento acima da primeira cabeça do tubo, a referida segunda câmara de fluido está localizada na seção central do alojamento entre a primeira e a segunda cabeça de tubo, e a referida terceira câmara de fluido está localizada

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6/23 na parte inferior do alojamento abaixo da segunda cabeça de tubo, • pelo menos, quatro aberturas de fluido no referido alojamento: pelo menos uma abertura de fluido 110 na primeira câmara de fluido, pelo menos, duas aberturas de fluidos 111, 112 na segunda câmara do fluido e, pelo menos, uma abertura do fluido 113 na terceira câmara de fluido, [0013] as primeira e segunda cabeças de tubo têm furos para cada um dos tubos de transferência de calor, em que a parte inferior de cada um dos tubos de transferência de calor é apoiada de forma fixa em ambas as alas laterais e alas superiores, pela segunda cabeça de tubo e a parte superior de cada tubo de transferência de calor é suportada de forma deslizante para a primeira cabeça do tubo, pelo qual a segunda cabeça de tubo suporta a carga da pluralidade de tubos de transferência de calor e os impede de se mover em relação à segunda cabeça do tubo e a primeira cabeça do tubo suporta a pluralidade de tubos de transferência de calor em uma direção da ala lateral permitindo que os tubos de transferência de calor se movam para cima e para baixo, em relação à primeira cabeça do tubo e o suporte deslizante da parte superior dos tubos de transferência de calor compreende uma vedação estanque a fluidos 118.

[0014] 2. Um reator de troca de calor de acordo com a característica 1, em que a referida parte inferior dos tubos de transferência de calor compreendem um gargalo 114, pelo qual a área em corte transversal da extremidade inferior dos tubos de transferência de calor e a área da seção transversal de cada furo na segunda cabeça de tubo é menor do que a área da seção transversal dos tubos de transferência de calor acima do gargalo.

[0015] 3. Um reator de troca de calor de acordo com a característica 2, em que os leitos de catalisador encontram-se dentro dos tubos de transferência de calor e os referidos tubos de transferência de calor

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7/23 compreendem, cada um suporte 115 localizado na parte inferior de cada um dos tubos de transferência de calor acima do gargalo para apoiar os leitos de catalisador.

[0016] 4. Um reator de troca de calor de acordo com a característica 3, que compreende ainda um espaçador 116 localizado entre o gargalo e o suporte para se adaptar à altura do suporte.

[0017] 5. Um reator de troca de calor de acordo com a característica 4, em que o referido suporte e o referido espaçador são uma unidade integrada.

[0018] 6. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, em que pelo menos uma das primeira e segunda cabeça de tubo tem uma forma côncava.

[0019] 7. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, em que a segunda cabeça de tubo tem uma forma elipsoidal, em que a carga dos tubos de transferência de calor é distribuída para a aresta da dita segunda cabeça do tubo.

[0020] 8. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, em que pelo menos uma da primeira e da segunda cabeça de tubo é isolada 117 em pelo menos um dos lados da cabeça do tubo.

[0021] 9. Um reator de troca de calor de acordo com a característica 8, em que o isolamento 117 está localizado no lado de pelo menos uma da primeira e da segunda cabeça de tubo que está virada para a segunda câmara de fluido e a espessura do isolamento está adaptada de modo que o isolamento tem uma superfície substancialmente plana na face do isolamento que está virada para a segunda câmara do fluido.

[0022] 10. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características 8 e 9, em que a parte de cada um dos tubos de transferência de calor, que está localizada na segunda câmara de

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8/23 fluido entre a primeira e a segunda cabeça do tubo e do isolamento é de comprimento substancialmente igual.

[0023] 11. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, em que a referida vedação compreende para cada tubo de transferência de calo r uma caixa de enchimento 119 com a corda de embalagem 120, que é comprimida em volta do tubo de transferência de calor por meio de compressão 121.

[0024] 12. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, em que pelo menos um dos tubos de transferência de calor é provido com meios de fixação 122, 130 na parte superior, permitindo, assim, o levantamento pelo menos de todos os tubos de troca de calor e da segunda cabeça do tubo.

[0025] 13. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, em que a referida parede do reator forma pelo menos uma primeira seção tubular 124 disposta na parte superior da segunda câmara de fluido, uma segunda seção tubular 125, disposta na parte do meio da segunda câmara de fluido e uma terceira seção tubular 126, disposta na parte inferior da segunda câmara de fluido, a referida primeira e terceira seção tubular têm um diâmetro maior do que a segunda seção tubular para permitir pelo menos duas câmaras de anel distribuir uniformemente o fluido e a partir das pelo menos duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido e de e para a parte da superfície inferior e superior dos tubos de transferência de calor.

[0026] 14. Um reator de troca de calor de acordo com qualquer uma das características anteriores, que compreende ainda um revestimento 127, disposto em torno dos tubos de transferência de calor no interior da segunda câmara de fluido, o referido revestimento tem perfurações 129 para a distribuição uniforme do fluido para e a partir de pelo menos duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido e de

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9/23 e para a parte da superfície inferior e superior dos tubos de transferência de calor.

[0027] 15. Um reator de troca de calor de acordo com a característica 14, em que pelo menos uma parte da área do referido revestimento que está virada para pelo menos uma das pelo menos duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido está sem as referidas perfurações, pelo qual a referida área pode agir como uma placa de choque de fluido.

[0028] Em uma modalidade da invenção, um reator de troca de calor para realização de reação exotérmica ou endotérmica compreende uma caixa com uma parede de reator, os tubos de transferência de calor, as cabeças de tubo, as câmaras de fluido e as aberturas de fluido. O alojamento e os tubos de transferência de calor estão dispostos em uma posição substancialmente vertical, o que é vantajoso para a resistência estrutural dos componentes, especialmente em operação à temperatura e pressão elevadas. O reator é dividido em, pelo menos, três câmaras de fluido pelas cabeças de tubo. Na primeira câmara de fluido, localizada na parte superior do alojamento acima da primeira cabeça do tubo, um primeiro fluido é deixado no meio de uma abertura de fluidos e é distribuído para os tubos de transferência de calor. O primeiro fluido circula no interior dos tubos para baixo, para a terceira câmara de fluido localizada na parte inferior do alojamento abaixo da segunda cabeça do tubo, onde o fluxo de cada tubo é recolhido e solto de uma abertura de fluidos. Na segunda câmara de fluido localizada na seção do meio do alojamento do reator, um segundo fluido é deixado em uma via da abertura de fluidos situada na parte inferior da seção do meio. O segundo fluido flui para cima, na seção do meio, enquanto realiza trocas de calor com o primeiro fluido através das paredes do tubo de transferência de calor. Na parte superior da seção do meio, o segundo fluido é deixado sair através de outra abertura de flui

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10/23 dos. Os leitos de catalisador podem ser dispostos no interior dos tubos ou do lado de fora dos tubos na segunda câmara de fluido. Os tubos de transferência de calor estão suportados pelos tubos de duas cabeças. Os tubos são suportados de forma deslizante nos furos na primeira cabeça do tubo superior, por conseguinte, enquanto a parte superior de cada tubo é suportada e fixada contra movimento em direções horizontais eles são livres para se mover em direções verticais independentes um do outro. Em particular para a presente invenção é que os tubos que são fixados na segunda cabeça do tubo inferior, não são capazes de se mover em qualquer direção em relação à segunda cabeça do tubo. A parte inferior de cada tubo está fixada à segunda cabeça do tubo na localização de um furo correspondente na referida cabeça do tubo, que pode ser fixa com a extremidade inferior de cada tubo diretamente sobre o furo correspondente, fixada com a extremidade do tubo para dentro do furo ou fixa com a parte da extremidade do tubo no interior do furo e a extremidade do tubo abaixo da cabeça do tubo. A fixação do tubo à segunda cabeça do tubo pode ser feita de qualquer maneira conhecida como, por exemplo, a soldadura, o que é preferível, porque é estanque ao gás. É importante que o método de fixação possa suportar as temperaturas de funcionamento. Entende-se que uma vez que os tubos estão apenas fixados de forma deslizante à primeira cabeça do tubo em direções verticais, é a segunda cabeça do tubo que suporta a carga da pluralidade de tubos de transferência de calor.

[0029] O primeiro fluido pode fluir na direção descendente: através de uma abertura de fluidos na primeira câmara do fluido que flui a partir da primeira câmara de fluido, através dos tubos de transferência de calor para a terceira câmara de fluido e para fora de uma abertura de fluido, ou em outra modalidade, pode fluir na direção oposta. Em uma modalidade o segundo fluido pode fluir em uma direção ascendente a

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11/23 partir de uma abertura de fluido na parte inferior da segunda câmara de fluido, através da segunda câmara de fluido em torno dos tubos e para fora da segunda câmara de fluido através de uma abertura de fluido na parte superior da segunda câmara de fluido. Na modalidade em que o primeiro fluido flui para baixo, o segundo fluido flui para cima, o leito de catalisador é colocado no interior dos tubos de transferência de calor e a reação é endotérmica, o segundo fluido tem de transferir o calor para o primeiro fluido. Por isso, é vantajoso que os tubos sejam fixados, por exemplo, por soldadura à segunda cabeça do tubo, onde a temperatura é a mais elevada.

[0030] Em uma modalidade da invenção, os tubos de transferência de calor têm um gargalo na sua parte inferior, através do qual os diâmetros externo e interno dos tubos são reduzidos. Deste modo, a parte da extremidade inferior dos tubos que está fixado à segunda parte do tubo precisa de um furo correspondente na segunda cabeça de tubo, que é apenas suficientemente grande para corresponder ao diâmetro do tubo reduzido, o que, em contrapartida aumenta a força da segunda cabeça de tubo em comparação para uma cabeça tubo perfurada por orifícios de um diâmetro maior.

[0031] Em outra modalidade da invenção, onde os leitos de catalisador encontram-se dentro dos tubos de transferência de calor, um suporte para o leito de catalisador situa-se no interior dos tubos, na parte inferior dos tubos acima do gargalo. O suporte pode ser de qualquer construção adequada, por exemplo, uma malha de arame na parte superior de uma grade de suporte rodeado por um suporte de anel. O gargalo serve como um batente de suporte inferior para o suporte do catalisador e um espaçador pode ser colocado entre o gargalo e o suporte de catalisador para ajustar a altura do leito de catalisador em cada um dos tubos. O suporte e o espaçador também pode ser integrado em uma única unidade, a altura da unidade pode, então, ser variada

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12/23 para ajustar a altura do leito de catalisador em cada um dos tubos, como mencionado.

[0032] Em ainda outra modalidade da invenção, pelo menos uma das primeira e segunda cabeça de tubo tem uma forma côncava. Especialmente para a segunda cabeça de tubo, que suporta a carga dos tubos de transferência de calor e o leito de catalisador, uma forma côncava, por exemplo, uma forma elipsoidal é vantajosa uma vez que transfere a carga sobre a parte central da cabeça do tubo de saída para a periferia da cabeça do tubo, onde a cabeça do tubo pode ser suportada pela parede do reator. Os espaçadores que ajustam a altura do suporte de catalisador em cada um dos tubos podem ser adaptados para compensar a forma côncava da segunda cabeça de tubo de tal modo que a parte inferior do leito de catalisador em cada um dos tubos tem a mesma altura no reator. Isto é vantajoso quando uma atividade catalítica, mesmo em todos os tubos é desejada.

[0033] Em uma modalidade, pelo menos uma das primeira e segunda cabeças de tubo é isolada no lado da cabeça do tubo voltado para a segunda câmara do fluido. Nos casos em que a temperatura na segunda câmara de fluido é maior do que a temperatura na primeira e na terceira câmara de fluido, e no interior dos tubos, o isolamento protege a cabeça do tubo isolado das temperaturas elevadas e a espessura da cabeça do tubo pode, portanto, ser reduzida para dadas exigências de resistência. Isto é especialmente vantajoso para a segunda cabeça de tubo de suporte de carga. Além disso, a espessura do isolamento pode, como a altura do suporte do catalisador ser adaptada para compensar uma determinada forma côncava da primeira e/ou da segunda cabeça do tubo, pelo qual a superfície do isolamento é substancialmente plana e o comprimento dos tubos entre as superfícies opostas ou isolamento entre a superfície isolante e a cabeça do tubo oposto pode ser substancialmente igual para todos os tubos. Em outra

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13/23 modalidade, a parte superior e a parte inferior dos leitos de catalisador em cada um dos tubos de transferência de calor estão localizadas na mesma ou quase na mesma altura que a superfície do isolamento. [0034] Em uma modalidade da invenção, a parte superior de cada um dos tubos de transferência de calor está selada na direção da cabeça do tubo superior. A vedação provê o suporte da ala lateral dos tubos nos orifícios da cabeça do tubo e uma ligação substancialmente estanque, mas que permite o movimento de deslizamento descrito dos tubos nos furos em relação ao primeiro tubo de cabeça. Em uma modalidade, a vedação compreende uma caixa de enchimento para cada tubo. A caixa de enchimento pode ser fixa (por exemplo, por soldadura ou outros meios conhecidos) à primeira cabeça do tubo em volta de cada furo. A vedação pode ser uma corda da embalagem de cerâmica, que está comprimida entre a caixa de enchimento e a parede exterior de cada tubo em torno do tubo, por meio de compressão, tais como uma porca de rosca ou qualquer outro meio de compressão conhecido. A caixa de enchimento pode ainda compreender meios de bloqueio, tais como um parafuso de bloqueio para impedir os meios de compressão de desmontagem.

[0035] É uma vantagem particular da invenção, que na modalidade em que o fluido relativamente quente entra na segunda câmara do fluido através de uma abertura do fluido na parte inferior da segunda câmara de fluido e o fluido relativamente frio (a ser aquecido pelo fluido relativamente quente) flui através dos tubos de transferência de calor, a vedação localizada na caixa de enchimento na primeira câmara de fluido é exposta a temperaturas consideravelmente mais baixas do que a mais alta temperatura do fluido relativamente quente. Isto significa que uma vedação substancialmente estanque aos fluidos pode ser conseguida, mesmo para processos em que o gás de admissão mais quente é consideravelmente superior ao máximo permitido para um

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14/23 determinado material de vedação.

[0036] Em outra modalidade da invenção, pelo menos um dos tubos de transferência de calor é provido com meios de fixação na parte superior dos tubos. Isso permite a montagem dos batentes mecânicos, o que impede os tubos de transferência de calor de deslizar para fora da cabeça do tubo, quando for levantado, por exemplo, garras de elevação fixadas à primeira cabeça do tubo. Os meios de fixação podem ser de qualquer técnica conhecida, tal como um fio, os furos de passagem do tubo, fechaduras por pressão, farpas, acoplamentos, uniões, conectores ou semelhantes, e que podem ser montados do lado de fora, de dentro ou em ambos os lados de fora e dentro do tubo. Os meios de fixação proveem uma montagem simples dos tubos de transferência de calor e das cabeças de tubo no reator: Um número de batentes mecânicos suficientes para suportar o peso total dos tubos e das cabeças de tubo é montado nos meios de fixação na parte superior de um número correspondente de tubos, onde, depois de todos os tubos e da primeira e da segunda cabeça de tubo podem ser levantadas. Após a montagem das cabeças de tubo e dos tubos do reator, os batentes mecânicos são removidos.

[0037] Em uma modalidade da invenção duas câmaras de anel de distribuição do fluido são providas em ligação com as duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido. As câmaras de anéis proveem uma distribuição uniforme de fluido a partir da abertura de entrada de fluido para a área em torno de todos os tubos de transferência de calor mais próxima das extremidades e uma distribuição uniforme de fluido a partir da área em torno de todos os tubos de transferência de calor mais próximas da outra extremidade da abertura de descarga de fluido. As referidas câmaras de anel são construídas como secções de parede do reator em torno da segunda câmara de fluido, com um diâmetro alargado, que permite que o fluido flua em torno do feixe do tu

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15/23 bo. Estas seções de diâmetro alargado da parede do reator situam-se na parte superior e na parte inferior da segunda câmara de fluido, a parte do meio da câmara de fluido tem um diâmetro de parede do reator apenas ligeiramente maior do que o diâmetro externo do feixe de tubos para minimizar o consumo de material. Em uma modalidade da invenção, a entrada de fluido para a segunda câmara do fluido está na parte inferior da segunda câmara de fluido e a saída de fluido da segunda câmara de fluido está na parte superior da segunda câmara de fluido. A distribuição uniforme do fluido na segunda câmara de fluido em torno de todos os tubos de transferência de calor, bem como uma distribuição uniforme de leitos de catalisador no mesmo comprimento dos tubos de transferência de calor como mencionado anteriormente, é tudo que assegura um mesmo nível de reação e ainda a transferência de calor entre o fluido de dentro e de fora dos tubos de transferência de calor.

[0038] Em uma modalidade da invenção, a distribuição uniforme de fluido em torno de todos os tubos de transferência de calor é ainda assegurada por um revestimento localizado dentro da parede do reator, na segunda câmara de fluido, e em torno de todos os tubos de transferência de calor (o feixe de tubos). Pelo menos em uma parte da área das câmaras de anel, o dito revestimento é provido de aberturas distribuídas em torno do revestimento que é também formado como uma folha que envolve o feixe de tubos. Através das aberturas do revestimento na área da câmara de anel para a entrada de fluido, o fluido na segunda câmara do fluido flui da entrada de fluido para a câmara de anel correspondente e para o espaço em volta dos tubos de transferência de calor mais próximo das extremidades dos tubos. De igual modo, através das aberturas do revestimento na zona da câmara de anel para a saída de fluido, o fluido na segunda câmara de fluido escoa a partir do espaço em volta dos tubos de transferência de calor

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16/23 mais próximos da outra extremidade dos tubos, através das aberturas no revestimento na área da câmara de anel para a saída de fluido, para a câmara de anel correspondente e para fora através da saída de fluido da segunda câmara de fluido. O revestimento pode ser selado estanque fixado à parede do reator, para assegurar que nenhum fluido desvia entre o feixe de tubos e a parede do reator, devido à passagem de fluido entre a parede do reator e o feixe de tubos a partir da segunda entrada de câmara de fluido com a segunda saída da câmara de fluido seria inferior à eficiência da transferência de calor.

[0039] Em outra modalidade da invenção, as aberturas em que o referido revestimento estão uniformemente distribuídas em torno da circunferência de cada uma das extremidades do revestimento, exceto para as áreas do revestimento voltadas para as aberturas de fluido da segunda câmara de fluido. Nestas áreas, pelo menos uma parte do revestimento não tem aberturas, pelo qual esta parte do revestimento atua como uma placa de impacto de fluido que provê ainda uma distribuição uniforme de fluido em torno dos tubos de transferência de calor. [0040] Como é bem conhecido na técnica, o feixe de tubos pode ser provido com defletores, por exemplo, do tipo de disco e de rosca para aumentar ainda mais a transferência de calor entre o fluido do lado de fora e o fluido do lado de dentro dos tubos.

[0041] A presente invenção será discutida em mais detalhes com referência a algumas modalidades da invenção, como mostrado nos desenhos em que:

[0042] A figura 1 é uma vista lateral transversal de uma modalidade de um reator de troca de calor, [0043] A figura 2 é uma vista superior transversal da entrada e saída da segunda câmara de fluido, [0044] A figura 3 é uma vista lateral transversal do reator de troca de calor antes da remontagem,

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17/23 [0045] A figura 4 é uma vista detalhada da primeira cabeça do tubo isolada [0046] A figura 5 é uma vista detalhada da segunda cabeça do tubo isolada [0047] A figura 6 é uma vista detalhada do revestimento e da primeira cabeça do tubo com defletores e tirantes [0048] A figura 7 é uma vista detalhada da parte inferior de um tubo de transferência de calor, [0049] A figura 8 é uma vista detalhada de uma modalidade da caixa de enchimento na parte superior de um tubo de transferência de calor, [0050] A figura 9 é uma vista detalhada de uma parte superior de um tubo, incluindo meios de fixação, [0051] A figura 10 é uma vista detalhada da segunda cabeça de tubo isolada e da terceira câmara de fluido.

[0052] A figura 11 é uma vista detalhada de seções de um tubo de transferência de calor.

[0053] A figura 12 é uma vista detalhada de uma modalidade da caixa de enchimento.

VISÃO GERAL DO NÚMERO DE REFERÊNCIA

100 - reator de troca de calor

101 - alojamento

102 - parede do reator

103 - tubos de transferência de calor

104 - leito de catalisador

105 - primeira cabeça do tubo

106 - segunda cabeça do tubo

107 - primeira câmara de fluido

108 - segunda câmara de fluido

109 - terceira câmara de fluido

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110 - abertura de fluidos, primeira câmara de fluido

111 - abertura de fluidos, parte superior da segunda câmara de fluido

112 - abertura de fluidos, parte inferior da segunda câmara de fluido

113 - abertura de fluidos, terceira câmara de fluido

114 - gargalo

115 - grade de suporte

116 - espaçado r

117 - isolamento

118 - selo

119 - caixa de enchimento

120 - corda de embalagem

121 - meios de compressão

121a. - meios de bloqueio

122 - meios de fixação (rosca)

123 - garras de elevação

124 - primeira seção tubular superior da parede do reator

125 - segunda seção tubular do meio da parede do reator

126 - terceira seção tubular inferior da parede do reator

127 - revestimento

128 - defletor

129 - perfurações do revestimento

130 - porca de segurança [0054] É para ser compreendido que o que segue são apenas algumas modalidades específicas da invenção. Uma vantagem da invenção é que é escalável, portanto, outras dimensões e números de tubo são um objetivo da presente invenção.

[0055] O HTER como mostrado na figura 1 é um reformador de troca de calor tubular. Ele é um reator de troca de calor 100, que com

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19/23 preende um alojamento 101 com paredes do reator 102 e com o catalisador 104 no interior dos tubos de transferência de calor 103. Ele tem dois fluxos separados, um gás efluente (PG) que flui no lado do tubo (dentro dos tubos) e um gás efluente (EG) que flui no lado do reservatório (fora dos tubos). Existem 1300 tubos. Nesta modalidade, a reação catalítica é uma reação endotérmica. Portanto, o gás efluente no interior dos tubos precisa de calor transferido do gás efluente no lado do reservatório de tubos.

FLUXO DE GÁS EFLUENTE [0056] O gás efluente relativamente frio (frio em relação ao gás efluente) entra na primeira câmara de fluido 107 na parte superior do reator através da abertura do fluido 110 na primeira câmara de fluido e distribui através da primeira cabeça do tubo 105 para os tubos de transferência de calor. O PG flui através dos tubos que são preenchidos com o catalisador e uma reação de reformação toma lugar ao receber calor de um lado do reservatório. O PG deixa os tubos através da segunda cabeça de tubo 106, flui para a terceira câmara de fluido 109 e sai através da abertura de fluido 113.

FLUXO DO GÁS EFLUENTE [0057] O EG relativamente quente (quente em relação ao gás efluente) entra na segunda câmara de fluido 108 no lado do reservatório dos tubos através da abertura do fluido 112 na parte inferior da segunda câmara de fluido. O fluxo passa através dos tubos, em uma configuração desorientada que libera o calor para a reação no interior dos tubos. O EG sai através da abertura de fluido 111 na parte superior da segunda câmara de fluido. As defletores 128 são de configuração do disco e de rosca e provocam um elevado grau de fluxo cruzado passando pelos tubos. A distribuição do fluxo, por exemplo , em / a partir do feixe de tubos é feita através de uma câmara de anel na primeira seção tubular superior da parede do reator 124 e a terceira seção tu

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20/23 bular inferior da parede do reator 126 e um revestimento 127 que dá uma entrada radial desejada e uma saída radial a partir do feixe de tubos, como pode ser visto na figura 2. Quando o EG entra no reator é distribuído sobre a circunferência de uma câmara de anel em torno do revestimento. O EG então flui através das perfurações 129 feitas no revestimento. Há menores perfurações na posição do bocal. Deste modo, o revestimento atua como uma placa de choque. O revestimento que se estende a partir do fundo para o topo do reator também é perfurado no topo para obter um fluxo radial quando o EG sai da configuração de defletor. O revestimento é soldado à parede do reator 102 para evitar o desvio do EG. Na segunda seção do meio tubular da parede do reator 125, o revestimento está perto do feixe de tubos, uma vez que nenhum fluido é recuado para desvio nesta seção.

[0058] O reservatório do reator, incluindo o revestimento e o feixe de tubos é mostrado na figura 3 como visto separadamente antes de o pacote ser montado no interior do reator. A carga de 1300 tubos é feita pela cabeça do tubo elipsoidal no fundo do reator. A cabeça de tubo é isolada 117 acima da cabeça do tubo, resultando em uma temperatura da cabeça do tubo do gás efluente que sai dos tubos. A carga da cabeça elipsoidal tubo superior, os defletores e tirantes são retomados no topo do flange do reservatório. A cabeça do tubo superior é isolada abaixo da cabeça dando-lhe temperaturas de entrada do PG. A carga do revestimento é feita pelo reservatório na ligação do cone.

A EXPANSÃO TÉRMICA [0059] Os tubos são fixados na cabeça do tubo inferior. Os alongamentos térmicos dos tubos são ocupados por um mecanismo - uma caixa de enchimento 119 por tubo na cabeça do tubo superior. Isto permite as diferenças individuais no alongamento do tubo, como visto na figura 4. A configuração do defletor varia da cabeça do tubo superior com tirantes e se move para baixo quando aquecido.

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21/23 [0060] O revestimento é soldado ao reservatório. As duas extremidades do revestimento irão expandir a partir deste ponto para cima e para baixo, respectivamente.

CONJUNTO DA CABEÇA DO TUBO SUPERIOR [0061] A cabeça do tubo superior tem um número de garras 123 para elevação na atividade de instalação do feixe. A cabeça é isolada debaixo, com um material cerâmico fibroso, o qual é mantido no lugar por uma placa de revestimento. A cabeça do tubo é perfurada para os 1300 tubos. Em cada perfuração, há um conjunto da caixa de enchimento acima da cabeça.

CONJUNTO DA CABEÇA DO TUBO INFERIOR [0062] A cabeça é isolada de cima, com um material cerâmico fibroso, o qual é mantido no lugar por uma placa de revestimento metálico, vide figura 5.

CONJUNTO DE REVESTIMENTO E DEFLETOR [0063] O revestimento é soldado a um cone no reservatório. Ele é perfurado na parte superior e na parte inferior.

[0064] Os defletores são mantidos no lugar por tirantes. Os tirantes estão ligados à cabeça do tubo superior, como pode ser visto na figura 6.

CONJUNTO DO TUBO [0065] Os tubos têm comprimento variável, devido às cabeças de tubo elipsoidais.

[0066] Existem os meios de fixação 122, tais como uma seção roscada na parte superior do tubo de uma parte dos tubos. Isto é usado para montagem de porcas de bloqueio 130 ao levantar o feixe pelas garras de elevação.

MALHA DE ARAME.

[0067] Referindo à figura 7, o catalisador repousa sobre uma grade de suporte 115. Os espaçadores 116, como tubos cilíndricos de pa

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22/23 redes finas mantêm a grade de suporte do catalisador na altura correta. O diâmetro do tubo é levado para baixo no gargalo 114 na parte inferior dos tubos. Isto é feito para obter um ligamento maior e, portanto, uma cabeça do tubo mais fina. Uma modalidade diferente é mostrada na figura 11, que omite a necessidade de um espaçador, em vez de variar o comprimento da parte inferior, de diâmetro reduzido dos tubos de transferência de calor, e, em vez de o gargalo, o diâmetro da parte inferior dos tubos é reduzido por meio de um aro.

CONJUNTO DA CAIXA DE VEDAÇÃO [0068] As 1300 caixas de enchimento 119 são compostas de uma caixa de enchimento quando um selo 118 compreendendo uma corda de embalagem 120 é colocado. Como pode ser visto na figura 8, há meios de compressão 121, tal como um anel da junta que funciona como um parafuso oco que gira em torno do tubo, quando as cordas são comprimidas. Em entre as cordas e o anel da junta, há um anel de seguidor que protege a corda da embalagem de forças de fricção, quando a caixa é apertada. O conjunto de caixa de enchimento é soldado à cabeça do tubo a partir do interior. Outra modalidade das caixas de enchimento é vista na figura 12. Aqui o anel da glândula de compressão está bloqueado por outro anel 121a.

CONJUNTO DO LOCAL [0069] Para montar o feixe de tubos para o reservatório deve-se levantar nas garras de elevação na cabeça do tubo superior. A cabeça do tubo inferior é levantada pelos tubos que são mantidos no lugar por uma porca de segurança para a cabeça superior. Figura 9: O conjunto do revestimento mostrado com a porca de segurança 130 (superior esquerdo). As porcas de segurança atuam como conexões entre a parte superior da cabeça do tubo onde o guindaste está ligado e os tubos e cabeça do tubo inferior. Quando o pacote está no lugar a solda de vedação é feita entre a cabeça do tubo inferior e a conexão do rePetição 870190051417, de 31/05/2019, pág. 25/36

23/23 servatório.

[0070] Figura 10: Etapas de montagem final da parte inferior do reator. O pacote é reduzido e a cabeça elipsoidal do tubo e a conexão do reservatório são soldados por vedação.

EXEMPLO [0071] O gás efluente de ~ 410° C frio entra no topo do reator e distribui aos tubos. O PG flui através dos tubos que são preenchidos com catalisador e a reação de reforma ocorre ao receber o calor do lado do reservatório. O PG deixa os tubos a ~ 750 °C e sai através da saída inferior.

[0072] O EG de ~ 1005 ° C quente entra no lado do reservatório por meio do bocal inferior. O fluxo passa através dos tubos, em uma configuração de deflector liberando o calor para a reação no interior do tubo. O EG sai através do bocal no lado superior do reservatório, a uma temperatura de aproximadamente 600 °C.

[0073] A cabeça superior tem um diâmetro interno de 4,250 mm e mm de espessura e é feito de SA-387 GR22 cl2. A cabeça está isolada abaixo com um material cerâmico fibroso que é mantido no lugar por uma espessa de 3 mm da placa de revestimento Inconel 693.

[0074] A cabeça inferior é de 50 mm de espessura e tem um diâmetro interno de 3,600 mm. A cabeça é feita a partir de qualquer Inconel 625 ou Haynes 230. A cabeça é isolada acima com um material cerâmico fibroso que é mantido no lugar por uma fina placa de revestimento Inconel 693 de 3 mm. O revestimento, as divisórias e os tirantes são feitos de Inconel 693.

[0075] Os tubos são de aprox. 11 metros de comprimento com um diâmetro interno de 50 mm e um diâmetro externo de 60 mm. Todas as partes do conjunto do tubo são feitas de Inconel 693.

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Claims

1. Reator de troca de calor (100) para a realização de reações endotérmicas ou exotérmicas, compreendendo, um alojamento (101), o dito alojamento definindo uma parede do reator (102), uma pluralidade de tubos de transferência de calor (103) disposta no interior do referido alojamento para o fornecimento ou a remoção de calor em leitos de catalisador (104) dispostos no interior ou no exterior dos referidos tubos de transferência de calor, uma primeira cabeça de tubo (105) localizada na parte superior do alojamento para suportar a parte superior dos tubos de transferência de calor, uma segunda cabeça de tubo (106) localizada na parte inferior do invólucro para suportar a parte inferior dos tubos de transferência de calor, pelo menos uma primeira câmara de fluido (107), uma segunda câmara de fluido (108) e uma terceira câmara de fluido (109) localizadas no interior do referido alojamento, a referida primeira câmara de fluido está localizada na parte superior do alojamento acima da primeira cabeça do tubo, a referida segunda câmara de fluido está localizada na seção central do alojamento entre a primeira e a segunda cabeça de tubo, e a referida terceira câmara de fluido está localizada na parte inferior do alojamento abaixo da segunda parte do tubo, pelo menos, quatro aberturas de fluido no referido alojamento: pelo menos uma abertura de fluido (110) na primeira câmara de fluido, pelo menos duas aberturas de fluidos (111, 112) na segunda câmara do fluido e, pelo menos, uma abertura do fluido (113) na terceira câmara de fluido, as primeira e segunda cabeças de tubo têm furos para cada um dos tubos de transferência de calor, caracterizado pelo fato de

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2/5 que a parte inferior de cada um dos tubos de transferência de calor é fixada apoiado em ambas as alas laterais e está orientada para cima, pela segunda cabeça de tubo e a parte superior de cada tubo de transferência de calor deslizante é suportado para a primeira cabeça do tubo, pelo qual a segunda cabeça de tubo suporta a carga de uma pluralidade de tubos de transferência de calor e os impede de se mover em relação à segunda parte do tubo e o primeiro tubo de cabeça suporta a pluralidade de tubos de transferência de calor em uma direção das alas laterais permitindo que os tubos de transferência de calor se movam para cima e para baixo, em relação à primeira cabeça do tubo e o suporte de deslizamento da parte superior dos tubos de transferência de calor compreende uma vedação estanque a fluidos (118).

2. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação

1, caracterizado pelo fato de que a referida parte inferior dos tubos de transferência de calor compreendem um gargalo (114), pelo qual a área em corte transversal da extremidade inferior dos tubos de transferência de calor e a área da seção transversal de cada furo no a segunda cabeça de tubo é menor do que a área da seção transversal dos tubos de transferência de calor acima do gargalo.

3. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação

2, caracterizado pelo fato de que os leitos de catalisador encontramse dentro dos tubos de transferência de calor e os referidos tubos de transferência de calor compreendem, cada um suporte (115) localizada na parte inferior de cada um dos tubos de transferência de calor acima do gargalo para apoiar os leitos de catalisador.

4. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação

3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um espaçador (116) localizado entre o gargalo e o suporte para se adaptar a altura do suporte.

5. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação

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4, caracterizado pelo fato de que o referido suporte e o referido espaçador é uma unidade integrada.

6. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma da primeira e da segunda cabeça de tubo tem uma forma côncava.

7. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a segunda cabeça de tubo tem uma forma elipsoidal, em que a carga dos tubos de transferência de calor é distribuída para a aresta da dita segunda cabeça do tubo.

8. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma da primeira e da segunda cabeça de tubo é isolada (117) em pelo menos um dos lados da cabeça do tubo.

9. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o isolamento (117) está localizado no lado de pelo menos uma da primeira e da segunda cabeça de tubo que está virada para a segunda câmara de fluido e a espessura do isolamento está adaptada para que o isolamento tenha uma superfície substancialmente plana na face do isolamento que está virada para a segunda câmara do fluido.

10. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a parte de cada um dos tubos de transferência de calor, que está localizado na segunda câmara de fluido entre a primeira e a segunda cabeça do tubo e do isolamento é de comprimento substancialmente igual.

11. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a referida vedação compreende para cada tubo de transferência de calor

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4/5 uma caixa de enchimento (119) com a corda de embalagem (120), que é comprimida em volta do tubo de transferência de calor por meio de compressão (121).

12. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos um dos tubos de transferência de calor é provido com meios de fixação (122, 130) na parte superior, permitindo, assim, o levantamento de pelo menos todos os tubos de troca de calor e a segunda cabeça do tubo.

13. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a referida parede de reator forma pelo menos uma primeira seção tubular (124), disposta na parte superior da segunda câmara de fluido, um segundo elemento tubular (125), disposto na parte do meio da segunda câmara de fluido e uma terceira parte tubular (126), disposta na parte inferior da segunda câmara de fluido, a referida primeira e terceira seção tubular têm um diâmetro maior do que a segunda seção tubular para permitir pelo menos duas câmaras de anel, para distribuir uniformemente o líquido para e a partir das pelo menos duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido e de e para a parte dos tubos de transferência de calor da superfície inferior e superior.

14. Reator de troca de calor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um revestimento (127), disposto em torno dos tubos de transferência de calor no interior da segunda câmara de fluido, o referido revestimento tem perfurações (129) para a distribuição uniforme do fluido de e para as pelo menos duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido e de e para a parte da superfície inferior e superior dos tubos de transferência de calor.

15. Reator de troca de calor, de acordo com a reivindicação

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14, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte da área do referido revestimento que está virada para pelo menos uma das pelo menos duas aberturas de fluido na segunda câmara de fluido está sem as referidas perfurações pelo qual a referida zona pode agir como uma placa de choque de fluido.