BR112015002820B1 - aparelho para a produção de acetileno a partir de uma corrente de alimentação compreendendo metano - Google Patents

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Abstract

aparelho para a produção de acetileno a partir de uma corrente de alimentação compreendendo metano aparelho e métodos são fornecidos para a conversão de metano em uma corrente de alimentação em acetileno. uma corrente de hidrocarboneto é introduzida em um reator supersônico e pirolisada para converter pelo menos uma porção do metano em acetileno. a corrente efluente do reator pode ser tratada para converter o acetileno em outro processo de hidrocarboneto.

Description

APARELHO PARA A PRODUÇÃO DE ACETILENO A PARTIR DE UMA CORRENTE DE ALIMENTAÇÃO COMPREENDENDO METANO DECLARAÇÃO DE PRIORIDADE [0001] Este pedido reivindica prioridade do Pedido Provisório n° 61/691.333, que foi depositado em 21 de agosto de 2012 e do US n° 13/967.697, depositado em 15 de agosto de 2013.
CAMPO [0002] Aparelho e métodos são descritos para a conversão de metano em uma corrente de hidrocarboneto em acetileno utilizando um reator de fluxo supersônico.
FUNDAMENTOS [0003] Materiais de olefinas leves, incluindo etileno e propileno, representam uma grande parte da demanda mundial na indústria petroquímica. Olefinas leves são usadas na produção de vários produtos químicos através de polimerização, oligomerização, alquilação e outras reações químicas bem conhecidas. Estas olefinas leves são blocos de construção essenciais para as indústrias petroquímicas e químicas modernas. Produzir grandes quantidades de material de olefinas leves de uma forma econômica, por conseguinte, é um foco na indústria petroquímica. A principal fonte para esses materiais no refino nos dias atuais é o craqueamento a vapor de alimentações de petróleo.
[0004] O craqueamento de hidrocarbonetos provocado pelo aquecimento de um material de carga de alimentação em um forno tem sido muito utilizado para a produção de produtos úteis, incluindo, por exemplo, produtos de olefinas. Por exemplo, etileno, que é um dos produtos mais importantes da indústria química, pode ser produzido pela pirólise de cargas de alimentação que variam de parafinas leves, tais como etano e propano, até porções mais pesadas, tais como a nafta. Tipicamente, as cargas de alimentação mais leves produzem rendimentos mais elevados de etileno (5055% para etano em comparação com 25-30% para a nafta); no entanto, o
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 11/63 / 42 custo da carga de alimentação é mais provavelmente para determinar qual é utilizado. Historicamente, o craqueamento de nafta tem fornecido a maior fonte de etileno, seguido por pirólise de etano e propano, craqueamentos ou desidrogenação. Devido à grande procura por etileno e outros materiais leves olefínicos, no entanto, o custo destas alimentações tradicionais tem aumentado constantemente.
[0005] O consumo de energia é outro fator de custo impactando a produção pirolítica de produtos químicos a partir de várias cargas de alimentação. Ao longo das últimas décadas, tem havido melhorias significativas na eficiência do processo de pirólise que reduziram os custos de produção. Em uma planta de pirólise típica ou convencional, uma carga de alimentação passa através de uma pluralidade de tubos trocadores de calor, onde é aquecida externamente até uma temperatura de pirólise pelos produtos de combustão do óleo combustível ou gás natural e ar. Uma das etapas mais importantes realizadas para minimizar os custos de produção tem sido a redução do tempo de residência para uma carga de alimentação nos tubos trocadores de calor de um forno de pirólise. A redução do tempo de residência aumenta o rendimento do produto desejado, reduzindo a produção de subprodutos mais pesados, que tendem a incrustar as paredes do tubo de pirólise. No entanto, há pouco espaço para melhorar os tempos de residência ou o consumo total de energia em processos de pirólise tradicionais.
[0006] Tentativas mais recentes de diminuir os custos de produção de olefinas leves incluem a utilização de processos e/ou correntes de alimentação alternativos. Em uma abordagem, hidrocarbonetos oxigenados e, mais especificamente, metanol ou éter dimetílico (DME) são utilizados como uma carga de alimentação alternativa para a produção de produtos de olefinas leves. Oxigenados podem ser produzidos a partir de materiais disponíveis, tais como carvão, gás natural, plásticos reciclados, várias correntes de resíduos de carbono da indústria e vários produtos e subprodutos da indústria agrícola. A
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 12/63 / 42 fabricação de metanol e outros produtos oxigenados a partir destes tipos de matérias primas é bem estabelecida e tipicamente inclui um ou mais processos geralmente conhecidos, tais como a fabricação de gás de síntese utilizando um catalisador de níquel ou cobalto, em uma etapa de reformação a vapor, seguida por uma etapa de síntese de metanol em pressão relativamente alta utilizando um catalisador à base de cobre.
[0007] Uma vez que os oxigenados são formados, o processo inclui a conversão catalítica dos compostos oxigenados, tais como metanol, para os produtos de olefinas leves desejados em um processo de oxigenado para olefina (OTO). As técnicas para a conversão de compostos oxigenados, tais como metanol para olefinas leves (MTO), são descritas na US 4.387.263, que descreve um processo que utiliza uma zona de conversão catalítica contendo um catalisador de tipo zeolítico. A US 4.587.373 descreve o uso de um catalisador zeolítico como ZSM-5 para fins de fabricação de olefinas leves. As Patentes US 5.095.163; US 5.126.308 e US 5.191.141, por outro lado, descrevem uma tecnologia de conversão de MTO utilizando um material catalítico de peneira molecular não zeolítico, tal como uma peneira molecular de aluminofosfato de metal (ELAPO). Os processos OTO e MTO, embora úteis, utilizam um processo indireto para a formação de um produto de hidrocarboneto desejado convertendo em primeiro lugar uma alimentação em um composto oxigenado e subsequentemente convertendo o composto oxigenado no produto de hidrocarboneto. Esta via indireta da produção é muitas vezes associada com penalidades de energia e de custos, reduzindo, muitas vezes, a vantagem obtida através da utilização de um material de alimentação menos caro.
[0008] Recentemente, têm sido feitas tentativas para se usar pirólise para converter gás natural em etileno. A Patente US 7.183.451 descreve o aquecimento de gás natural a uma temperatura na qual uma fração é convertida em hidrogênio e em um produto de hidrocarboneto, tal como
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 13/63 / 42 etileno ou acetileno. A corrente de produto é então resfriada para parar reação adicional e subsequentemente reagida na presença de um catalisador para formar líquidos a serem transportados. Os líquidos produzidos incluem nafta, gasolina ou diesel. Embora este método possa ser eficaz para a conversão de uma porção de gás natural em acetileno ou etileno, estima-se que esta abordagem irá proporcionar apenas cerca de um rendimento de 40% de acetileno a partir de uma corrente de alimentação de metano. Embora tenha sido identificado que as temperaturas mais elevadas, em conjunto com tempos de residência curtos, podem aumentar o rendimento, as limitações técnicas evitam melhoria adicional a este processo neste ponto.
[0009] O documento CA 642560 descreve um método e aparelho para cortar metal.
[00010] Embora os sistemas de pirólise tradicionais precedentes forneçam soluções para a conversão de etano e propano em outros produtos de hidrocarbonetos úteis, eles provaram ser ineficazes ou antieconômicos para converter metano em nestes outros produtos, tais como, por exemplo, etileno. Embora a tecnologia MTO seja promissora, estes processos podem ser caros devido à aproximação indireta de formação do produto desejado. Devido ao aumento contínuo no preço das alimentações para os processos tradicionais, tais como o etano e nafta, e da oferta abundante e correspondente baixo custo do gás natural e outras fontes de metano disponíveis, por exemplo, a acessibilidade mais recente do gás de xisto, é desejável se fornecer formas comercialmente viáveis e com custo eficaz para usar o metano como uma alimentação para a produção de etileno e outros hidrocarbonetos úteis.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [00011] A FIG. 1 é uma vista em seção transversal lateral de um reator de supersônico de acordo com várias formas de realização aqui descritas;
[00012] A FIG. 2 é uma vista esquemática de um sistema para a conversão de metano em acetileno e outros produtos de hidrocarboneto de
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 14/63 / 42 acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00013] A FIG. 3 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00014] A FIG. 4 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00015] A FIG. 5 é uma vista em seção transversal que mostra um reator supersônico de acordo com várias formas de realização aqui descritas;
[00016] A FIG. 6 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00017] A FIG. 7 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00018] A FIG. 8 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00019] A FIG. 9 é uma vista em perspectiva de uma porção do reator supersônico da FIG. 1;
[00020] A FIG. 10 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00021] A FIG. 11 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00022] A FIG. 12 é uma vista em seção transversal lateral parcial que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 15/63 / 42 [00023] A FIG. 13 é uma vista em corte em perspectiva que mostra porções do reator supersônico da FIG. 1 de acordo com diversas formas de realização aqui descritas;
[00024] A FIG. 14 é uma vista esquemática de um reator de supersônico de acordo com várias formas de realização aqui descritas.
DESCRIÇÃO DETALHADA [00025] Uma alternativa proposta para os métodos anteriores de produção de olefinas que não tem ganho muito apelo comercial inclui a passagem de uma carga de alimentação de hidrocarbonetos em um reator supersônico e a sua aceleração a uma velocidade supersônica para fornecer energia cinética que pode ser transformada em calor, para permitir uma reação de pirólise endotérmica ocorra. Variações deste processo constam das patentes US 4.136.015; US 4724272; e na Patente Russa No. SU 392723A. Estes processos incluem a combustão de uma carga de alimentação ou fluido carreador em um ambiente rico em oxigênio para aumentar a temperatura da alimentação e acelerar a alimentação para velocidades supersônicas. Uma onda de choque é criada no interior do reator para iniciar pirólise ou craqueamento da alimentação.
[00026] Mais recentemente, as Patentes US 5.219.530 e US 5.300.216 têm sugerido um processo semelhante que utiliza um reator de onda de choque para fornecer energia cinética para iniciar pirólise de gás natural para a produção de acetileno. Mais particularmente, este processo inclui a passagem de vapor através de uma seção de aquecimento para se tornar superaquecida e acelerada a uma velocidade quase supersônica. O fluido aquecido é transportado para um bocal, que atua para expandir o fluido carreador a uma velocidade supersônica e temperatura mais baixa. Uma carga de alimentação de etano é passada através de um compressor e aquecedor e injetada por bocais para se misturar com o fluido carreador supersônico para se misturar em conjunto com turbulência a uma velocidade de Mach 2.8 e
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 16/63
Ί / 42 uma temperatura de 427’C. A temperatura na seção de mistura continua a ser baixa o suficiente para restringir pirólise prematura. O reator de onda de choque inclui uma seção de pirólise com uma área de seção transversal gradualmente crescente, onde uma onda de choque constante é formada por contrapressão no reator devido à restrição de corrente na saída. A onda de choque rapidamente diminui a velocidade do fluido, consequentemente aumentando rapidamente a temperatura da mistura através da conversão da energia cinética em calor. Isto inicia imediatamente a pirólise da carga de alimentação de etano para convertê-la em outros produtos. Um trocador de calor de extinção então recebe a mistura pirolisada para extinguir a reação de pirólise.
[00027] Os métodos e aparelhos para a conversão de componentes de hidrocarbonetos em correntes de alimentação de metano utilizando um reator supersônico são geralmente descritos. Tal como aqui utilizado, o termo corrente de alimentação de metano inclui qualquer corrente de alimentação compreendendo metano. As correntes de alimentação de metano fornecidas para o processamento no reator supersônico geralmente incluem metano e formam pelo menos uma porção de uma corrente de processo. Os aparelhos e os métodos aqui apresentados convertem pelo menos uma porção do metano em um composto de hidrocarboneto de produto desejado para produzir uma corrente de produto que tem uma concentração mais elevada do composto de hidrocarboneto do produto em relação à corrente de alimentação.
[00028] O termo corrente de hidrocarboneto, como aqui utilizado, refere-se a uma ou mais correntes que fornecem pelo menos uma porção da corrente de alimentação de metano que entra no reator supersônico como aqui descrito ou são produzidas no reator supersônico a partir da corrente de alimentação de metano, independentemente de outro tratamento ou o processo ser realizado em tal corrente de hidrocarbonetos. Com referência ao exemplo ilustrado na FIG. 2, a corrente de hidrocarboneto pode incluir a corrente de
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 17/63 / 42 alimentação de metano 1, uma corrente efluente do reator supersônico 2, uma corrente do produto desejado 3 que sai de um processo de conversão de hidrocarbonetos a jusante ou quaisquer correntes intermediárias ou de subprodutos formadas durante os processos aqui descritos. A corrente de hidrocarbonetos pode ser carregada através de uma linha de corrente de processo 115, como mostrado na FIG. 2, que inclui linhas de transporte para carregar cada uma das porções da corrente de processo descrita acima. O termo corrente de processo, tal como aqui utilizado, inclui a corrente de hidrocarboneto tal como descrito acima, bem como pode incluir uma corrente de fluido carreador, uma corrente de combustível 4, uma corrente de fonte de oxigênio 6, ou quaisquer correntes utilizadas nos sistemas e os processos aqui descritos. A corrente de processo pode ser carregada através de uma linha de corrente de processo 115, que inclui linhas de transporte de cada uma das porções da corrente de processo acima descritas. Tal como ilustrado na FIG. 2, qualquer uma dentre corrente de alimentação de metano 1, corrente de combustível 4, e corrente de fonte de oxigênio 6, pode ser pré-aquecida, por exemplo, por um ou mais aquecedores 7.
[00029] As tentativas anteriores de converter correntes de alimentação de alcano ou parafina leve, incluindo correntes de alimentação de etano e propano, em outros hidrocarbonetos utilizando reatores de fluxo supersônicos têm mostrado serem promissoras no fornecimento de rendimentos mais elevados de produtos desejados a partir de uma corrente de alimentação particular do que outros sistemas de pirólise mais tradicionais. Especificamente, a capacidade destes tipos de processos para proporcionar temperaturas de reação muito elevadas com tempos de residência muito curtos associados proporciona uma significativa melhoria em relação aos processos de pirólise tradicionais. Mais recentemente, foi percebido que estes processos podem também ser capazes de converter metano em acetileno e em outros hidrocarbonetos úteis, enquanto os processos de pirólise mais tradicionais
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 18/63 / 42 eram incapazes ou ineficientes para tais conversões.
[00030] A maior parte do trabalho anterior com sistemas de reatores supersônicos, no entanto, tem sido teórico ou com base em pesquisa, e, assim, não abordaram os problemas associados à prática do processo em uma escala comercial. Além disso, muitas destas descrições anteriores não contemplam o uso de reatores supersônicos para efetuar a pirólise de uma corrente de alimentação de metano, e tendem a concentrar-se principalmente sobre a pirólise de etano e propano. Um problema que tem sido identificado recentemente com a adoção do uso de um reator de fluxo supersônico para a pirólise de alcano leve, e, mais especificamente, a pirólise de alimentações de metano para formar acetileno e outros produtos úteis do mesmo, inclui os efeitos prejudiciais que as severas condições de operação para a pirólise do metano podem ter sobre o reator com fluxo supersônico e outro equipamento associado. Os trabalhos anteriores não apreciaram ou abordaram totalmente estas severas condições de operação. Por exemplo, o reator supersônico pode operar a temperaturas até 3000 C ou mais elevada, juntamente com elevadas pressões. Estas altas temperaturas e pressões constituem um risco para falha mecânica dentro das paredes do reator, como resultado da fusão, ruptura, ou fluência. Especificamente, em temperatura elevada, foi identificado que os pontos quentes nas paredes podem indicar fusão do casco. Além disso, mesmo quando as paredes são resfriadas, dano de base química pode ocorrer, tal como, por exemplo, reações redox formando produtos não-passivos que são perdidos no fluxo de gás, provocando o recuo. Além disso, pode ocorrer oxidação transformada, criando óxidos não aderentes que são perdidos para o fluxo de gás.
[00031] Além disso, uma corrente carreadora e uma corrente de alimentação podem viajar através do reator em velocidades supersônicas, o que pode corroer rapidamente muitos materiais que podem ser utilizados para formar o casco do reator. Além disso, algumas substâncias e contaminantes
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 19/63 / 42 que podem estar presentes na corrente de hidrocarboneto pode causar corrosão, oxidação e/ou redução das paredes do reator ou casco e outro equipamento ou componentes do reator. Tais componentes que causam problemas de corrosão, oxidação ou redução podem incluir, por exemplo sulfeto de hidrogênio, água, metanotiol, arsina, vapor de mercúrio, carbonetização através de reação dentro do próprio combustível, ou fragilização por hidrogênio. Outro problema que pode estar presente em altas temperaturas é reação com espécies transientes, tais como radicais, por exemplo, hidróxido.
[00032] De acordo com várias formas de realização aqui reveladas, por conseguinte, aparelhos e métodos para converter metano em correntes de hidrocarbonetos em acetileno e outros produtos são fornecidos. Aparelhos de acordo com as mesmas e o uso dos mesmos foram identificados para melhorar o processo global para a pirólise de alimentações de alcanos leves, incluindo alimentação de metano, para acetileno e outros produtos úteis. Os aparelhos e os processos aqui descritos também melhoram a capacidade do aparelho e componentes associados e seu equipamento para resistir à degradação e possível falha devido a condições extremas de operação no interior do reator.
[00033] De acordo com uma abordagem, os aparelhos e os métodos aqui divulgados são usados para tratar uma corrente de processo de hidrocarboneto para converter pelo menos uma porção do metano na corrente de processo de hidrocarboneto em acetileno. A corrente de processo de hidrocarboneto aqui descrita inclui a corrente de alimentação de metano fornecida para o sistema, que inclui metano e também pode incluir etano ou propano. A corrente de alimentação de metano também pode incluir combinações de metano, etano e propano em várias concentrações e pode também incluir outros compostos de hidrocarbonetos, assim como contaminantes. Em uma abordagem, a corrente de alimentação de hidrocarboneto inclui gás natural. O gás natural pode ser fornecido a partir de uma variedade de fontes incluindo, mas não limitado a,
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 20/63 / 42 campos de gás, campos de petróleo, campos de carvão, fraturamento hidráulico de campos de xisto, biomassa e gás de aterro. Em outra abordagem, a corrente de alimentação de metano pode incluir uma corrente de outra porção de uma refinaria ou planta de processamento. Por exemplo, alcanos leves, incluindo metano, são muitas vezes separados durante o processamento do óleo bruto em vários produtos e uma corrente de alimentação de metano pode ser fornecida a partir de uma destas fontes. Essas correntes podem ser fornecidas a partir da mesma refinaria ou de refinaria diferente ou de uma refinaria de gás. A corrente de alimentação de metano pode incluir uma corrente a partir de combinações de diferentes fontes.
[00034] De acordo com os processos e sistemas aqui descritos, uma corrente de alimentação de metano pode ser fornecida a partir de um local remoto ou no local ou locais dos sistemas e métodos aqui descritos. Por exemplo, enquanto a fonte de corrente de alimentação de metano pode ser localizada na mesma refinaria ou plantas de processamento onde os processos e sistemas são realizados, tais como a partir da produção de outro processo de conversão de hidrocarbonetos no local ou um campo local de gás natural, a corrente de alimentação de metano pode ser fornecida a partir de uma fonte remota via gasodutos ou outros métodos de transporte. Por exemplo, uma corrente de alimentação pode ser fornecida a partir de uma planta de processamento de hidrocarboneto remota ou refinaria ou de um campo de gás natural remoto, e fornecida como uma alimentação para os sistemas e processos aqui descritos. O processamento inicial de uma corrente de metano pode ocorrer na fonte remota para remover certos contaminantes a partir da corrente de alimentação de metano. Quando ocorre tal tratamento inicial, ele pode ser considerado como parte dos sistemas e processos aqui descritos, ou pode ocorrer a montante dos sistemas e processos aqui descritos. Assim, a corrente de alimentação de metano fornecida para os sistemas e processos aqui descritos pode ter diferentes níveis de contaminantes, dependendo se o
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 21/63 / 42 processamento inicial ocorre a montante da mesma.
[00035] Em um exemplo, a corrente de alimentação de metano tem um teor de metano que varia de 65 a 100% mol. Em outro exemplo, a concentração do metano na alimentação de hidrocarboneto varia de 80 a 100% mol da alimentação de hidrocarboneto. Em ainda outro exemplo, a concentração do metano varia de 90 a 100% mol da alimentação de hidrocarboneto.
[00036] Em um exemplo, a concentração de etano na alimentação metano varia de 0 a 35% mol e em outro exemplo de 0 a 10% mol. Em um exemplo, a concentração de propano na alimentação de metano varia de 0% a 5% mol e em outro exemplo de 0 a 1% mol.
[00037] A corrente de alimentação de metano pode também incluir hidrocarbonetos pesados, tais como hidrocarbonetos aromáticos, parafínicos, olefínicos e naftênicos. Estes hidrocarbonetos pesados, se presentes, provavelmente estarão presente em concentrações compreendidas entre 0 e 100% mol. Em outro exemplo, eles podem estar presentes em concentrações compreendidas entre 0 e 10% mol e podem estar presentes entre 0 e 2% mol.
[00038] O aparelho e o método para a formação de acetileno a partir da corrente de alimentação de metano aqui descritos utilizam um reator de fluxo supersônico para a pirólise de metano na corrente de alimentação para formar acetileno. O reator com fluxo supersônico pode incluir um ou mais reatores capazes de criar um fluxo supersônico de um fluido carreador e a corrente de alimentação de metano, e expandir o fluido carreador para iniciar a reação de pirólise. Em uma abordagem, o processo pode incluir um reator supersônico como geralmente descrito na patente US 4.724.272, que é aqui incorporada por referência na sua totalidade. Em outra abordagem, o processo e o sistema podem incluir um reator supersônico tal como descrito como um reator onda de choque nas Patentes US 5.219.530 e US 5.300.216, que são aqui incorporadas por referência na sua totalidade. Ainda em outra abordagem, o
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 22/63 / 42 reator supersônico descrito como um reator de onda de choque pode incluir um reator tal como descrito em Supersonic Injetion and Mixing in the Shock Wave Reactor Robert G. Cerff, Universidade de Washington, Graduate School, 2010.
[00039] Embora uma variedade de reatores supersônicos possa ser utilizada no presente processo, um reator exemplar 5 é ilustrado na FIG. 1. Com referência à FIG. 1, o reator supersônico 5 inclui um vaso reator 10 geralmente definindo uma câmara de reator 15. Enquanto o reator 5 é ilustrado como um único reator, deve ser entendido que ele pode ser formado modularmente ou como vasos separados. Se formado modularmente ou como componentes separados, os módulos ou componentes separados do reator podem ser unidos de forma permanente ou temporária, ou podem ser separados um do outro com os líquidos contidos por outros meios, tais como, por exemplo, ajustamento da pressão diferencial entre eles. Uma zona de combustão ou na câmara 25 é fornecida para a combustão de um combustível para produzir um fluido carreador com a temperatura e vazão desejadas. O reator 5 pode incluir, opcionalmente, uma entrada de fluido carreador 20 para a introdução de um fluido carreador suplementar dentro do reator. Um ou mais injetores de combustível 30 são fornecidos para a injeção de um combustível inflamável, por exemplo, hidrogênio, na câmara de combustão 26. Os mesmos ou outros injetores podem ser fornecidos para injetar uma fonte de oxigênio para dentro da câmara de combustão 26 para facilitar a combustão do combustível. A injeção de fonte de combustível e oxigênio pode estar em uma direção axial, em direção tangencial, direção radial, ou outra direção, incluindo uma combinação de direções. O combustível e o oxigênio são queimados para produzir uma corrente de fluido carreador quente tipicamente tendo uma temperatura entre 1200 e 3500°C em um exemplo, e entre 2000 e 3500°C em outro exemplo, e entre 2500 e 3200°C e ainda em outro exemplo. Também está contemplada aqui a produção da
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 23/63 / 42 corrente de fluido carreador quente por outros métodos conhecidos, incluindo os métodos de não-combustão. De acordo com um exemplo, a corrente de fluido carreador tem uma pressão de 1 atm ou superior, maior do que 2 atm em um outro exemplo, e maior do que 4 atm em outro exemplo.
[00040] A corrente de fluido carreador quente da zona de combustão 25 é passada através de um expansor supersônico 51 que inclui um bocal de convergência-divergência 50 para acelerar a velocidade do fluido carreador para acima de mach 1.0 em um exemplo, entre mach 1.0 e mach 4.0 em outro exemplo, e entre mach 1.5 e 3.5 em outro exemplo. A este respeito, o tempo de residência do fluido na porção de reator do reator de fluxo supersônico é de 0,5-100 ms em um exemplo, de 1,0-50 ms em outro exemplo, e de 1,5-20 ms em outro exemplo. A temperatura da corrente de fluido carreador através do expansor supersônico por um exemplo é entre 1000°C e 3500°C, entre 1200°C e 2500°C em outro exemplo, e entre 1200°C e 2000°C em outro exemplo.
[00041] A entrada de carga de alimentação 40 é fornecida para injetar a corrente de alimentação de metano no reator 5 para se misturar com o fluido carreador. A entrada de carga de alimentação 40 pode incluir um ou mais injetores 45 para injetar a carga de alimentação ao bocal 50, uma zona de misturação 55, uma zona difusora 60, ou zona de reação ou câmara 65. O injetor 45 pode incluir um coletor, incluindo, por exemplo, uma pluralidade de orifícios ou bocais de injeção para injetar a alimentação no reator 5.
[00042] Em uma abordagem, o reator 5 pode incluir uma zona de misturação 55 para misturar o fluido carreador e a corrente de alimentação. Em uma abordagem, como ilustrado na FIG. 1, o reator 5 pode ter uma zona de misturação separada, por exemplo, entre o expansor supersônico 51 e a zona de difusão 60, enquanto que na outra abordagem, a zona de misturação está integrada na seção de difusão, e a mistura pode ocorrer no bocal 50, na zona de expansão 60, ou na zona de reação 65 do reator 5. Uma zona de expansão 60 inclui uma parede divergente 70 para produzir uma rápida
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 24/63 / 42 redução na velocidade dos gases que fluem através da mesma, para converter a energia cinética do fluido que se escoa em energia térmica para aquecer a corrente para provocar a pirólise do metano na alimentação, o que pode ocorrer na seção de expansão 60 e/ou em uma seção de reação a jusante 65 do reator. O fluido é rapidamente resfriado em uma zona de resfriamento 72 para interromper a reação de pirólise de conversão adicional do produto de acetileno desejado em outros compostos. As barras de pulverização 75 podem ser utilizadas para introduzir um refrigerante, por exemplo, água ou vapor para a zona de resfriamento 72.
[00043] O efluente do reator sai do reator através da saída 80 e, como mencionado anteriormente, forma uma porção da corrente de hidrocarboneto. O efluente irá incluir uma maior concentração de acetileno do que a corrente de alimentação e uma concentração reduzida de metano em relação à corrente de alimentação. A corrente efluente do reator pode também ser referida aqui como uma corrente de acetileno, uma vez que ela inclui uma concentração aumentada de acetileno. A corrente de acetileno pode ser uma corrente intermediária em um processo para formar outro produto hidrocarboneto ou pode ser adicionalmente processada e capturada como uma corrente de produto de acetileno. Em um exemplo, a corrente efluente do reator tem uma concentração de acetileno antes da adição do refrigerante que varia de 2 a 30% mol. Em outro exemplo, a concentração de acetileno varia de 5 a 25% mol e de 8 a 23% mol em outro exemplo.
[00044] O vaso reator 10 inclui um casco de reator 11. Deve-se notar que o termo casco do reator refere-se à parede ou às paredes que formam vaso reator, o qual define a câmara do reator 15. O casco do reator 11 será tipicamente uma estrutura anular que define uma câmara de reator central geralmente oca 15. O casco do reator 11 pode incluir uma única camada de material, uma única estrutura compósita ou múltiplos cascos com um ou mais cascos posicionados dentro de um ou mais outros cascos. O casco do reator 11
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 25/63 / 42 também inclui várias zonas, componentes, e/ou módulos, como descrito acima e descrito a seguir para as diferentes zonas, componentes, e/ou módulos do reator supersônico 5. O casco do reator 11 pode ser formado como uma peça única que define todas as várias zonas do reator e componentes ou pode ser modular, com diferentes módulos que definem as diferentes zonas do reator e/ou componentes.
[00045] De acordo com uma abordagem, uma ou mais porções da parede ou casco do reator 11 são formadas como uma peça fundida. A este respeito, as uma ou mais porções não podem ser formadas por meio de soldadura ou conformação ou outros métodos de fabricação, embora o tratamento adicional possa ser realizado na peça fundida, tal como descrito abaixo. Sem pretender ser limitado pela teoria, acredita-se que, como as soldas frequentemente incluem tensão residual, formando a parede ou paredes do reator por meio de soldadura, pode ser produzido um reator que é mais suscetível a falha ou ruptura sob altas temperaturas e pressões. Além disso, devido à sua microestrutura variável e a possíveis gradientes de composição, soldas também podem ser mais suscetíveis à corrosão e craqueamento. Da mesma forma, acredita-se que a conformação das paredes do reator iria resultar em tensões residuais não negligenciáveis formadas nas paredes do reator, provocando problemas semelhantes com a operação a altas temperaturas e pressões. Assim, através da conformação de uma porção do casco do reator como uma peça fundida, uma microestrutura mais isotrópica é fornecida. A porção fundida do casco do reator pode proporcionar resistência à corrosão sobre componentes semelhantes formados por outros métodos, tais como a soldadura ou conformação. A conformação do casco do reator a partir de uma peça fundida pode também proporcionar fluxo de calor mais uniforme e temperaturas mais uniformes no componente. A conformação da porção do casco do reator a partir de uma peça fundida pode também proporcionar uma melhor e mais uniforme fluência e resistência à falha em alta temperatura do
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 26/63 / 42 que a conformação do casco através de outros métodos.
[00046] De acordo com uma abordagem, a peça fundida pode incluir uma fusão direcional para proporcionar uma melhor resistência a choque térmico e resistência à fluência em temperaturas e pressões de reação elevadas. Em uma abordagem, a peça fundida inclui uma estrutura de grão colunar. Em outra abordagem, a peça fundida inclui uma estrutura de cristal única.
[00047] A peça fundida pode ser formada a partir de um ou mais materiais, tais como descritos mais abaixo. A porção fundida do reator pode ser adicionalmente tratada por vários métodos conhecidos na técnica. Por exemplo, o casco do reator fundido 11 pode ser revestido, como adicionalmente aqui descrito, tratado termicamente, temperado, carbonetado, nitretado, ou tratado em outros métodos conhecidos para melhorar as suas propriedades.
[00048] Uma única peça fundida pode ser utilizada para formar todo o casco do reator 11, ou o casco do reator 11 pode incluir componentes ou módulos moldados individualmente, como aqui descrito adiante, que são montados para formar o casco do reator 11. Além disso, quando o casco do reator 11 inclui várias camadas, incluindo revestimentos, cascos interno e externo, etc., como aqui descritos, estas camadas podem ser moldadas separadamente ou em conjunto, e subsequentemente mantidas juntas ou separadas.
[00049] De acordo com diversas outras abordagens, uma ou mais partes do casco do reator supersônico podem ser formadas por métodos conhecidos além de fusão, tais como, por exemplo, metalurgia de pó, que pode ser densificado por compressão isostática a quente, unir um pó a um substrato, ou de sinterização a laser, ou outros métodos de sinterização apropriados, ou usinagem de um tarugo.
[00050] De acordo com uma abordagem, pelo menos uma porção do casco do reator 11 é construída de um material que tem uma temperatura de
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 27/63 / 42 fusão elevada para suportar as elevadas temperaturas de operação do reator supersônico 5. Em uma abordagem, um ou mais materiais que formam a porção do casco do reator 11 podem ter uma vida longa de fadiga de baixo ciclo, alta resistência à deformação, resistência à fluência e de tensão de ruptura, resistência à oxidação, e compatibilidade com fluidos refrigerantes e combustíveis. Em um exemplo, pelo menos uma porção do casco do reator 11 é formada de um material que tem uma temperatura de fusão entre 1.200 e 4000°C, e, em outro exemplo, de 1800 a 3500°C. Os materiais também podem apresentar estabilidade microestrutural através de diversos procedimentos de processamento térmico e mecânico, compatibilidade com processos de ligação e boa aderência de revestimentos resistentes à oxidação. Alguns materiais preferidos para a formação de pelo menos uma porção do casco do reator inclui superligas e aluminetos de níquel e gama Ti. De acordo com uma abordagem, a superliga é uma superliga à base de níquel, e, por outra abordagem, a superliga é uma superliga à base de ferro.
[00051] Em uma abordagem, o casco do reator 11 ou porção de parede é formado(a) a partir de uma superliga. A este respeito, a parede pode proporcionar uma excelente resistência mecânica e resistência à fluência em temperaturas de pirólise e combustão que ocorrem no interior do reator. Deste modo, o aparelho pode também restringir fusão ou falha devido à temperatura de operação e às pressões na câmara do reator 15.
[00052] De acordo com outra abordagem, a porção do casco do reator 11 é formada a partir de um material selecionado do grupo consistindo de um carboneto, um nitreto, diboreto de titânio, uma cerâmica sialon, zircônia, tória, um compósito de carbono-carbono, tungstênio, tântalo, molibdênio, cromo, níquel e as suas ligas.
[00053] De acordo com ainda outra abordagem, a porção do casco do reator 11 é formada como uma peça fundida, em que a peça fundida compreende um componente selecionado do grupo que consiste de aço
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 28/63 / 42 inoxidável duplo, aço inoxidável super duplo, e superliga de baixa fluência em alta temperatura com base em níquel.
[00054] Cromo ou níquel pode ser incluído para proporcionar uma boa resistência à corrosão.
[00055] Em outro aspecto, as paredes do reator são construídas de um material com alta condutividade térmica. Desta maneira, o calor da câmara do reator 15 pode ser rapidamente removido da mesma. Isso pode impedir que a pele de uma superfície interna do casco do reator 11 seja aquecida até temperaturas próximas à temperatura do reator, o que pode provocar a fusão, fogo químico, ou outra deterioração, às paredes do casco do reator 11. Uma ou mais porções do reator são formadas a partir de um material que tem uma condutividade térmica de entre 200 e 500 W/m.K. Em outro exemplo, a condutividade térmica é de entre 300 e 450 W/m.K. Em ainda outro exemplo, a condutividade térmica é de entre 200 e 346 W/m.K e pode estar compreendida entre 325 e 375 W/m.K ainda em outro exemplo.
[00056] Verificou-se que, de acordo com esta abordagem, o casco do reator pode ser formado a partir de um material que tem uma temperatura de fusão relativamente baixa, desde que o material tenha uma condutividade muito alta. Como o calor da câmara de reação 15 é rapidamente removido nesta abordagem, o casco do reator 11 não é exposto a uma temperatura tão elevada. A este respeito, pela formação da porção de casco do reator como um material tendo uma elevada condutibilidade térmica, o material pode ter uma temperatura de fusão abaixo da temperatura na câmara do reator 15. Em um exemplo, a porção do casco do reator 11 é formada a partir de um material que tem uma temperatura de fusão entre 500 e 2000°C. Em outro exemplo, a porção de casco do reator 11 pode ser formada a partir de um material que tem uma temperatura de fusão entre 800 e 1300°C e pode ser formada de um material que tem uma temperatura de fusão de entre 1000 e 1200°C em um outro exemplo.
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 29/63 / 42 [00057] O material que tem uma alta condutividade térmica inclui um metal ou liga metálica. Em uma abordagem, uma ou mais partes do casco do reator 11 podem ser formadas de cobre, prata, alumínio, zircônio, nióbio, e suas ligas. A este respeito, deve-se notar que um ou mais dos materiais listados acima também pode(m) ser usado(s) para formar um revestimento sobre um substrato ou casco do reator para formar uma camada de um casco do reator de camadas múltiplas 11. A porção do casco do reator 11 inclui cobre ou liga de cobre. Em um exemplo, a porção de casco do reator inclui um material selecionado do grupo consistindo de cromo cobre, cobre cromo zinco, cobre cromo nióbio, cobre níquel e cobre níquel tungstênio. Em outro exemplo, a porção de casco do reator compreende ainda nióbio-prata. A fim de melhorar a remoção de calor da câmara do reator, resfriamento pode ser utilizado para remover mais rapidamente o calor da câmara do reator, de modo que a temperatura seja mantida abaixo da temperatura permitida.
[00058] Por outra abordagem, o casco do reator 11 pode incluir uma pluralidade de camadas. O casco do reator 11 ilustrado na FIG. 3 inclui uma camada interna 210 que define a câmara de reator 15 e uma camada externa 205 formada sobre a interna 210. Embora o casco do reator 11 ilustrado na FIG. 3 tenha duas camadas para facilidade de explicação, como ilustrado na FIG. 8, deve ser entendido que o casco do reator 11 pode incluir três ou mais camadas possuindo uma ou mais camadas intermediárias 211 entre a camada interna 210 e a camada externa 205. Além disso, um ou mais camadas externas 212 pode(m) ser posicionada(s) fora da camada externa 212. Uma ou mais camadas internas adicionais pode(m) ser posicionada(s) no interior da camada interna 210.
[00059] Em uma abordagem, a camada interna 210 inclui um revestimento que é formado em uma superfície interna da camada externa 205 ou quaisquer camadas intermediárias intervenientes 211. A este respeito, a camada externa 205 forma um substrato sobre o qual o revestimento da
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 30/63 / 42 camada interna 210 é aplicado. Alternativamente, as camadas internas 210 podem proporcionar um substrato sobre o qual revestimento de camada externa 205 é aplicado. Uma ou ambas dentre a camada interna 210 e a camada externa 205 pode(m) ser formada(s) como uma peça fundida, tal como descrito anteriormente ou formadas de outros modos conhecidos, de acordo com esta abordagem.
[00060] Em uma abordagem, pelo menos uma parte da camada interna 210 inclui um material de elevada temperatura de fusão como descrito acima. De acordo com outra abordagem, a camada interna 210 inclui um material selecionado do grupo consistindo de um carboneto, um nitreto, diboreto de titânio, uma cerâmica sialon, zircônia, tória, um compósito de carbonocarbono, tungstênio, tântalo, molibdênio, cromo, níquel e as suas ligas. Por ainda outra abordagem, a camada interna 210 inclui uma superliga, e, por outra abordagem, inclui um material selecionado do grupo que consiste em aço inoxidável duplo, aço inoxidável super duplo, e superliga com baixa fluência em alta temperatura à base de níquel. A este respeito, a camada interna 210 pode ser selecionada para proporcionar características de operação benéficas, pois ela é exposta às condições de operação severas no interior da câmara do reator 15, incluindo temperatura elevada.
[00061] Em outra abordagem, pelo menos uma parte da camada interna 210 inclui um material de condutividade térmica elevada, tal como descrito acima. De acordo com outra abordagem, a camada interna 210 inclui um material selecionado do grupo que consiste de cobre, prata, alumínio, zircônio, nióbio, e ligas dos mesmos. Por ainda outra abordagem, a camada interna 210 inclui um material selecionado do grupo consistindo de cromo cobre, cobre cromo zinco, cobre cromo nióbio, cobre níquel e cobre níquel tungstênio. Em outro exemplo, a porção de casco do reator compreende nióbio-prata. A este respeito, a camada interna 210 pode ser selecionada para proporcionar características de operação benéficas, pois ela é exposta às
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 31/63 / 42 condições de operação severas dentro da câmara do reator 15, incluindo temperatura elevada.
[00062] Em uma abordagem, a camada externa 205 pode ser formada de um material diferente em relação à camada interna 210. O material da camada externa 205 pode ser selecionado para proporcionar um suporte estrutural ou outras propriedades desejáveis para o casco do reator 11. Em um exemplo, a camada externa 205 ou uma camada intermediária inclui aço resistente à corrosão. Outros materiais adequados para formar a camada externa 205 do casco de reator 11 incluem, mas não estão limitados a, aço inoxidável duplo, aço inoxidável super duplo, e superliga com baixa fluência em alta temperatura à base de níquel, superliga com baixa fluência em alta temperatura à base de níquel Nimonic™, Inco™ 718, Haynes ™, 230, ou outras ligas de níquel, tais como Mar-M-247.
[00063] Em uma abordagem, a camada interna 210 inclui um revestimento de barreira térmica. Revestimentos de barreira térmica podem ser formados a partir de um material que apresenta propriedades desejáveis para utilização na câmara do reator 15, tal como, por exemplo, temperatura de fusão elevada para suportar as altas temperaturas na câmara do reator 15. Por exemplo, o revestimento de barreira térmica pode incluir zircônia estabilizada com ítria, lantânio e hexaluminato de lantânio dopado com terra raro, carboneto de háfnio ou tungstênio, pois ambos os materiais têm altas temperaturas de fusão, boas propriedades mecânicas em altas temperaturas de operação, e, opcionalmente, baixa condutividade térmica.
[00064] Em uma abordagem, um revestimento adesivo é proporcionado entre a camada interna 210 e a superfície da camada externa 205, incluindo o revestimento de barreira térmica por uma abordagem. O revestimento adesivo pode incluir NiCrAlY, ligas de NiCoCrAlY que são aplicadas sobre a superfície metálica por pulverização de plasma, por PVD de feixe de elétrons, ou outros métodos conhecidos na técnica. Outros revestimentos adesivos para
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 32/63 / 42 ligas de cobre podem incluir NiAl aplicado por baixa pressão, pulverização de plasma sob vácuo, ou outros métodos conhecidos na técnica.
[00065] O casco do reator em camadas 11 pode ser formado em qualquer forma conhecida na técnica. Em uma abordagem, um revestimento de diâmetro interno formado sobre um mandril pode ser usado para fornecer um casco do reator em camadas, proporcionando uma camada de revestimento sobre um material de substrato. Por outra abordagem, um revestimento pode ser formado sobre um substrato por meio de prensagem isostática a quente para fornecer o casco do reator em camadas 11. Por ainda outra abordagem, revestimento pode ser utilizado para proporcionar um forro sobre um substrato. Em ainda outra abordagem, as camadas interna e externa podem ser formadas separadamente e unidas entre si. Um exemplo desta abordagem inclui fundir separadamente a camada interna 210 e a camada externa 205 e soldá-las em conjunto para formar o casco do reator em camadas 11. Bi-fusão pode também ser utilizada pela fusão de uma segunda liga sobre uma primeira liga.
[00066] Em outra abordagem, como ilustrado na FIG. 4, pelo menos uma porção do casco do reator 11 pode incluir um casco interno separado 215 e um casco externo 220. Semelhante ao casco do reator em camadas 11 descrito anteriormente, um casco do reator que tem um casco interno 215 e um casco externo 220 separados pode permitir que o casco interno 215 suporte as condições de operação da câmara do reator 15, pois o casco externo 220 proporciona suporte estrutural e/ou outras propriedades desejáveis para o casco do reator 11.
[00067] Em uma abordagem, pelo menos uma porção do casco interno 215 inclui o material de elevada temperatura de fusão como descrito acima. De acordo com outra abordagem, pelo menos uma porção do casco interno 215 inclui um material selecionado do grupo consistindo de um carboneto, um nitreto, diboreto de titânio, uma cerâmica sialon, zircônia, tória, um
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 33/63 / 42 compósito de carbono-carbono, tungstênio, tântalo, molibdênio, cromo, níquel e as suas ligas. Por outra abordagem ainda, pelo menos uma porção do casco interno 210 inclui uma superliga e por outra abordagem inclui um material selecionado do grupo que consiste em aço inoxidável duplo, aço inoxidável super duplo, e superliga de baixa fluência em alta temperatura e à base de níquel. A este respeito, o casco interno 215 pode ser selecionado para proporcionar características de operação benéficas, particularmente quando ele é exposto às condições de operação severas no interior da câmara do reator 15.
[00068] Em outra abordagem, pelo menos uma porção do casco interno 215 inclui um material de condutividade térmica elevada, tal como descrito acima. De acordo com outra abordagem, o casco interno 215 inclui um material selecionado do grupo que consiste em cobre, prata, alumínio, zircônio, nióbio, e ligas dos mesmos. Por ainda outra abordagem, o casco interno 215 inclui um material selecionado do grupo consistindo de cobre cromo, cobre cromo zinco, cobre cromo nióbio, cobre níquel e cobre níquel tungstênio. Em outro exemplo, o casco interno 215 compreende nióbio-prata. Em outra abordagem, o casco interno pode incluir um material que compreende uma liga de cobre que tenha sido endurecida por precipitação com compostos de segunda fase que permitem a retenção de elevada condutividade térmica. A este respeito, o casco interno 215 pode ser selecionado para proporcionar características de operação benéficas, particularmente quando ele é exposto às condições de operação severas no interior da câmara do reator 15, incluindo a temperatura elevada da mesma.
[00069] Em uma abordagem, o casco externo 220 pode ser formado de um material diferente em relação ao casco interno 215. O casco externo 220 pode ser selecionado para proporcionar um suporte estrutural ou outras propriedades desejáveis ao casco do reator 11. Em um exemplo, a casco externo 220 inclui aço resistente à corrosão. Outros materiais adequados para
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 34/63 / 42 formar a camada externa 205 do casco de reator 11 incluem, mas não estão limitados a, aço inoxidável duplo, aço inoxidável super duplo, e superliga com baixa fluência em alta temperatura à base de níquel, superliga com baixa fluência em alta temperatura à base de níquel Nimonic™, Inco™ 718, Haynes ™, 230, ou outras ligas de níquel, tais como Mar-M-247.
[00070] De acordo com uma abordagem, um ou ambos dentre o casco interno 215 e o casco externo 220 é(são) formado(s) como uma peça fundida, tal como descrito anteriormente.
[00071] Em uma abordagem, o casco externo 220 inclui uma folha de tubo 230, tal como ilustrado na FIG. 5. De acordo com esta abordagem, pelo menos um casco interno adicional 235 é posicionado no interior do casco externo 230 que define uma segunda câmara de reator 240. Desta forma, uma pluralidade de reações de pirólise pode ocorrer dentro da pluralidade de câmaras de reator 240. Através desta abordagem, cada um dos cascos internos 235 pode incluir alguns ou todos os componentes descritos acima em relação ao reator supersônico 5 ilustrado na FIG. 1, ou alguns componentes dos cascos internos separados 235 podem ser integrados. Em uma abordagem, alguns dos cascos de reator internos 235 podem ser orientados em direções opostas. A este respeito, qualquer pressão que pode ser gerada pelas correntes de alta velocidade que fluem através dos cascos internos irá ser compensada pelos cascos de reator 235 internos posicionados de forma oposta.
[00072] Em uma abordagem, o casco interno 215 é espaçado do casco externo 220 para fornecer um canal 245 entre eles, tal como ilustrado na FIG.
4. Nesta abordagem, o canal 245 pode incluir uma zona de pressão. A zona de pressão é pressurizada para manter a pressão no seu interior mais ou menos na mesma pressão que a pressão da câmara do reator 15. A este respeito, o casco interno 215 pode ser configurado de tal modo que ele não tenha que resistir a um alto diferencial de pressão entre a sua superfície interna 250 e da superfície externa 255. O casco interno 215 pode então ser formado de um
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 35/63 / 42 material que apresenta uma classificação de pressão relativamente mais baixa e/ou que tenham uma espessura de parede relativamente fina. O casco externo 220 pode então proporcionar um suporte estrutural, bem como servir como um vaso de pressão para suportar o diferencial de pressão entre a zona de pressão 245 e o lado de fora do casco externo 220. Em outra abordagem (não mostrada), o casco interno 215 pode encostar no casco externo 220.
[00073] Em uma abordagem, o canal 245 também aloja um ou mais sensores 216. Os sensores podem detectar ou medir uma variável, tal como um ou mais parâmetros ou materiais dentro do canal 245. Exemplos de sensores incluem sensores de pressão, sensores de temperatura, sensores de produtos químicos tais como sensores de gás, sensores de hidrogênio, sensores de hidrocarbonetos, sensores de metano, e outros. Os sensores podem ser ligados eletronicamente a um ou mais visores, monitores e/ou sistemas de controle. Em uma abordagem, o canal 245 também aloja uma ou mais estruturas de suporte 217 para suportar o casco interna 215 em relação ao casco externo 220.
[00074] De acordo com outra abordagem, como ilustrado na FIG. 6, um revestimento 260 pode ser proporcionado no interior de pelo menos uma porção do casco do reator 11 para resistir à deterioração da porção de casco do reator 11 devido às condições de operação dentro da câmara do reator 15. O revestimento 260 pode se estender ao longo de uma superfície interna do casco do reator 11 e pode encostar no casco do reator 11 ou ser afastado do mesmo.
[00075] Em uma abordagem, um revestimento 260 inclui um revestimento descartável. O revestimento descartável pode compreender carbono sob a forma de compósito de carbono/carbono, carbono pirolítico, carbono vítreo, ou outras formas de carbono ou uma liga de alta temperatura, e pode ser removido e substituído depois que a deterioração do revestimento 260 tenha ocorrido. A este respeito, o revestimento descartável pode proteger
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 36/63 / 42 o casco do reator das severas condições de operação dentro da câmara do reator 15.
[00076] De acordo com outra abordagem, o revestimento 260 inclui um revestimento de auto regeneração, e é capaz de se regenerar durante a operação do reator supersônico 5 e/ou quando o reator supersônico 5 estiver desligado. Em uma abordagem, o revestimento de auto regeneração inclui carbono que é catalisado para promover a formação de coque ou de carbono ao longo da superfície interna do casco do reator 11 para regenerar o revestimento de carbono. Em outra abordagem, um revestimento de auto regenerar inclui um revestimento de auto regeneração que tem uma camada grafítica de coque. Em outra abordagem, o revestimento de auto regeneração inclui um revestimento tendo uma camada nanoestruturada de coque. Ainda em outra abordagem, o revestimento de auto regeneração inclui um revestimento com uma camada nanoestruturada de grafeno. Em uma abordagem, o revestimento de auto regeneração inclui condutividade térmica direcional para remover rapidamente o calor da câmara de reação 15 durante a operação.
[00077] Em uma abordagem, o revestimento 260 inclui um revestimento de baixa condutividade térmica que opera para fornecer proteção para as ligas metálicas utilizadas, e abrandar a transferência de calor. Em outra abordagem, o revestimento pode ser um revestimento capturado flutuante composto de materiais de baixa condutividade térmica com resistência a altas temperaturas. Tal revestimento iria reduzir a transferência de calor e a erosão. Um revestimento capturado flutuante pode ser formado por pulverização de plasma a vácuo de uma HfC ou rênio sobre um mandril adequado usinado para as dimensões da forma líquida do diâmetro externo do revestimento necessário. O revestimento por pulverização do HfC ou rênio seria seguido por uma camada estrutural de tungstênio capaz de suportar a estrutura nas temperaturas necessárias. A camada de tungstênio seria seguida por
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 37/63 / 42 molibdênio e, possivelmente, outra camada estrutural de tungstênio e ou de níquel, cobalto, cromo, alumínio ítrio. Todas as camadas seriam aplicadas usando pulverização de plasma a vácuo e vão permanecer sozinhas após o diâmetro interno do mandril ser atacada quimicamente.
[00078] Em uma abordagem, uma ou mais partes do casco do reator 11 incluem um resfriamento ativo para dissipar o calor da câmara do reator 15 e restringir a fusão ou outra deterioração do casco do reator 11 devido às altas temperaturas e outras condições de operação. Em uma abordagem, o resfriamento ativo inclui um sistema de refrigeração ativo. Tal como ilustrado na FIG. 7, uma seção transversal de uma porção do casco do reator 11 é ilustrada e mostra um sistema de resfriamento ativo que inclui uma pluralidade de passagens de refrigeração 300 formadas no casco do reator 11 para fluir um refrigerante ao longo do casco do reator 11 para retirar o calor do mesmo. O sistema de resfriamento ativo pode também incluir uma fonte de refrigerante para fornecer refrigerante pressurizado que passa através das passagens de refrigeração 300. Como ilustrado na FIG. 7, a passagem de refrigerante podem se estender em geral circunferencialmente em torno do casco do reator 11, o qual em uma abordagem inclui uma configuração geralmente anular. Tubos de distribuição estão também presentes para fornecer refrigerante para e a partir das passagens de refrigeração 300.
[00079] Em uma abordagem, as passagens de refrigeração 300 podem incluir um ou uma pluralidade de canais formados em uma superfície do casco do reator. Em outra abordagem, as passagens de refrigeração 300 podem incluir um ou uma pluralidade de tubos ou túneis geralmente ocos formados no casco do reator 11 para fazer fluir o fluido refrigerante através deles, como na forma ilustrada na FIG. 7. As passagens 300 podem se estender ao longo de uma ou mais superfícies do reator ou podem ser formadas dentro das paredes do casco do reator 11, tal como ilustrado na FIG.
9. As passagens 300 podem ser fornecidas em uma variedade de orientações e
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 38/63 / 42 podem se prolongar axialmente ao longo do casco do reator 11, circunferencialmente em torno do casco do reator 11, radialmente através do casco do reator, de forma helicoidal sobre o casco do reator anelar ou outras orientações conhecidas na técnica.
[00080] Em ainda outra abordagem, as passagens de refrigeração 300 podem incluir um ou mais espaços entre as camadas internas e externas, revestimentos ou cascos internos e externos, como descrito anteriormente, para proporcionar um ou mais canais de resfriamento, tal como no canal 245 de FIG. 4. Além disso, um manipulador de fluxo pode ser fornecido dentro do espaço entre as camadas internas e externas, revestimentos ou cascos para direcionar o fluido refrigerante ao longo de um padrão de fluxo desejado. Tal como ilustrado na FIG. 10, saliências 315, tais como pinos, aletas, ou outras saliências, podem ser utilizadas dentro do espaço entre as camadas internas e externas para aumentar a área de superfície para o resfriamento. Além disso, o sistema de refrigeração pode incluir uma combinação de diferentes tipos de passagens de refrigeração 300, tal como aqui descrito. Por exemplo, as passagens de refrigeração 300 podem incluir um canal de resfriamento 300 entre as camadas 215 e 220 de um casco do reator 11 juntamente com canais formados em uma superfície de uma dentre a camada interna 215 e a camada externa 220, de tal modo que o refrigerante que flui através dos canais de resfriamento também passe através dos canais de casco do reator 245.
[00081] As passagens de refrigeração 300 podem ser formadas por uma variedade de métodos. Em uma abordagem, as passagens de refrigeração 300 são usinadas no casco do reator. Em outra abordagem, passagens parciais podem ser formadas ao longo da(s) superfície(s) de uma ou mais camadas, ou conchas, de um casco do reator 11, tal como descrito acima, e uma completa passagem 300 pode ser formada entre as camadas ou cascos na junção das camadas e/ou cascos como mostrado na FIG. 10. Do mesmo modo, uma passagem parcial pode ser formada sobre uma superfície de uma parede ou
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 39/63 / 42 camada do reator, e um forro ou revestimento pode ser aplicado sobre a passagem parcial para proporcionar uma passagem completa 300 entre a parede ou camada do reator e o forro ou revestimento. Em outra abordagem ainda, um forro ou revestimento pode ser aplicado em um padrão que define uma passagem completa ou parcial. Tais passagens completas ou parciais podem ser formadas como acima descrito por usinagem, fusão, ou durante a aplicação de um forro, camada ou revestimento particular, ou por outros meios. As passagens de refrigeração 300 podem também ser formadas por outros métodos, como é geralmente conhecido na técnica. Pinos, aletas, ou outras saliências podem ser usados dentro das passagens para aumentar a área de superfície para resfriamento. Um forro de baixa condutividade térmica pode ser aplicado a um revestimento, com o forro operando para proporcionar uma proteção para as ligas metálicas utilizadas, e diminuir a transferência de calor para o resfriamento ativo e aumentando a eficiência. A título de exemplo, o forro pode ser uma liga de níquel ou cobre que é pulverizada com plasma a vácuo sobre o primeiro revestimento interno iniciando com um forro de ligação que permite a aderência do metal estrutural ao material de baixa condutividade térmica. O forro de ligação pode conter níquel, cromo, cobalto, alumínio, e ou ítrio, seguido de molibdênio e tungstênio, e finalmente seguido por HfC ou HfO2.
[00082] As paredes que definem as passagens de refrigeração podem ajudar na transferência de calor no refrigerante circulado, servindo como aletas de refrigeração e também suportando cargas de pressão do líquido de resfriamento. Em uma abordagem, a espessura da parede de gás quente (a parte da parede do casco do reator 11 entre o refrigerante e o gás de combustão quente) é otimizada para minimizar a resistência ao fluxo de calor através das paredes dos revestimentos e para os canais de refrigeração 300, proporcionando uma integridade estrutural em relação à pressão e cargas térmicas. Em uma abordagem, a espessura da parede de gás quente é entre
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 40/63 / 42
0,254 centímetros (0,10 polegadas) e 0,9525 centímetros (0,375 polegadas), e em outro exemplo é entre 0,381 centímetros (0,15 polegadas) e 0,5715 centímetros (0,225 polegadas). Em outra abordagem, as paredes entre passagens de refrigeração são otimizadas como aletas para proporcionar baixa resistência térmica da parede quente ao refrigerante, bem como manter a integridade estrutural.
[00083] Em outra abordagem, as passagens de refrigerante contêm intensificadores de fluxo para aumentar o fluxo de refrigerante para aumentar o coeficiente de transferência de calor do refrigerante e o fluxo de calor da parede para o refrigerante. Em uma abordagem, os intensificadores de fluxo contêm nervuras orientadas perpendicularmente ou em um ângulo menor em relação à direção do fluxo do refrigerante para reiniciar a camada limite do refrigerante, aumentando o coeficiente de transferência de calor do refrigerante e aumentando o fluxo de calor da parede para o refrigerante. O redemoinho conferido pelas nervuras posicionadas em um ângulo inferior a 90 graus irá conferir um componente de velocidade de redemoinho, misturando o refrigerante e provocando uma maior taxa de transferência de calor da parede para o refrigerante.
[00084] Quando o casco do reator 11 é montado, os tubos de distribuição e a rede de canais de refrigeração 300 cooperam para formar um distribuidor para o refrigerante que flui para remover o calor gerado durante o processo de combustão no reator supersônico 5 na medida necessária para manter uma temperatura parede do reator aceitável.
[00085] Em uma abordagem, o fluido de refrigeração é pressurizado a uma pressão relativamente elevada, de tal forma que o refrigerante que flui através da porção do casco do reator 11 tenha uma pressão compreendida entre 2,413 e 22,063 Mpa, e, na outra abordagem, entre 6,89 e 13,79 MPa. E, em outra abordagem, entre 10,34 e 11,03 MPa. A pressão relativamente elevada reduz a complexidade da circulação do refrigerante, evitando uma
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 41/63 / 42 mudança de fase quando se utiliza, por exemplo, água como o fluido refrigerante. A pressão, velocidade de circulação e temperatura do refrigerante são ajustadas para fornecer o fluxo de refrigerante suficiente para remover suficientemente uma porção do calor gerado na câmara do reator 15 para manter uma temperatura da parede do reator aceitável, particularmente durante a combustão da corrente de combustível e expansão supersônica. Em uma abordagem, o refrigerante tem uma vazão através das passagens de refrigerante entre 28.000 e 47.000 pph, e em outro exemplo entre 33.500 e 80.000 pph. Em um exemplo, o refrigerante tem uma temperatura de entrada entre 10°C (50°F) e 121°C (250°F) e, em outro exemplo, entre 29°C (85°F) e 66°C (150°F). Em um exemplo, o refrigerante tem uma temperatura de saída de 38°C (100°F) a 371°C (700°F) e, em outro exemplo, de 121°C (250°F) a 315°C (600°F). Pode ser utilizada uma variedade de refrigerantes conhecidos na técnica. Em um exemplo, o refrigerante inclui água. Em outro exemplo, o refrigerante inclui vapor, hidrogênio ou metano, e pode conter uma mistura de fluidos.
[00086] Em uma abordagem, o resfriamento por impacto pode ser empregado como o resfriamento ativo para dissipar o calor da câmara do reator 15 e restringir a fusão ou outro tipo de deterioração do casco do reator 11, devido às altas temperaturas e outras condições de operação. O resfriamento por impacto pode empregar um gás ou um líquido. Em uma abordagem, o resfriamento por impacto pode empregar uma série de jatos de impacto para afetar a transferência de calor elevada. Por exemplo, jatos de alta velocidade podem ser direcionados para um casco a ser resfriado. Quando o jato de resfriamento contata a superfície do casco, ele é desviado em todas as direções paralelas à superfície do casco. Os jatos podem ser dispostos sobre o casco de forma aleatória ou em um padrão. Resfriamento por impacto pode incluir técnicas tais como sistemas de alto impacto usando expansão com vapor para o resfriamento de parede quente, impacto de parede de líquido, e
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 42/63 / 42 resfriamento de efusão de gás.
[00087] Em uma abordagem, um tubo de calor pode servir como o mecanismo de resfriamento ativo. Tubos de calor podem conduzir até 250 vezes a energia térmica de um membro de condução de cobre sólido.
[00088] Em uma abordagem, como ilustrado na FIG. 12, uma barreira de película 350 pode ser provida ao longo de uma superfície interna de pelo menos uma porção do casco do reator 11 para fornecer pelo menos uma barreira parcial à câmara do reator 15. A barreira de película 350 pode ajudar a restringir a deterioração, incluindo fusão, erosão ou corrosão, do casco do reator 11, devido às altas temperaturas, vazões, e outras condições severas no interior da câmara do reator 15.
[00089] Em uma abordagem, a barreira de película 350 inclui uma barreira de fluido frio. Tal como aqui utilizada, barreira de fluido frio referese à temperatura da barreira de fluido em relação à temperatura na câmara do reator 15. Deste modo, a barreira de fluido frio pode ter uma temperatura elevada, mas ser fria em relação à câmara do reator 15. Em um exemplo, a temperatura da barreira de fluido frio é entre 1649°C (3000°F) e 2760°C (5000°F). Em outro exemplo, a temperatura da barreira de fluido frio é entre 1982°C (3600°) e 2538°C (4600°F).
[00090] A barreira de fluido frio pode incluir uma barreira de vapor frio por um exemplo. Em outro exemplo, a barreira de fluido frio inclui uma barreira de metal fundido. Em outro exemplo, a barreira de fluido frio inclui água ou vapor. Em outra abordagem, a barreira de fluido frio inclui ar ou hidrogênio. Em ainda outro exemplo, a barreira de fluido frio inclui metano. A barreira do fluido frio pode também incluir outros líquidos, como é conhecido na técnica ou uma combinação de fluidos. De acordo com uma abordagem, a barreira de fluido frio inclui um fluido que compreende pelo menos uma porção da corrente de processo.
[00091] A barreira de película pode ser provida sobre a superfície interna
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 43/63 / 42 da porção do casco do reator 11 em vários modos. Com referência à FIG. 13, em uma abordagem, o casco do reator 11 inclui aberturas 360 através de pelo menos uma porção do mesmo para permitir que o fluido frio passe através do mesmo e forme uma barreira de fluido frio. Isto pode tomar a forma de fendas que descarregam para o fluxo de núcleo. Em outra abordagem, o casco do reator 11 pode incluir uma parede porosa 365 que facilita o vazamento de fluido frio através do mesmo para fornecer a barreira de fluido. De acordo com uma abordagem, o casco do reator pode incluir passagens (não mostradas) similares às descritas acima no que diz respeito ao sistema de resfriamento ativo, e um fluido frio para formar a barreira de fluido frio pode ser fornecido através do mesmo. Nesta abordagem, uma tubulação de distribuição pode ser fornecida para introduzir o fluido frio através das passagens e aberturas. Em outra abordagem, o casco do reator 11 pode incluir um casco interno 215 e um casco externo 220, como descrito anteriormente, e o casco interno 215 pode incluir aberturas ou compreender uma parede porosa sobre pelo menos uma porção do casco interno 215. Nesta abordagem, o fluido frio pode ser passado através do canal ou passagens definidas entre o casco externo 220 e o casco interno 215, de modo que vaze através do casco interno da parede porosa 215 para formar a barreira de fluido frio sobre uma superfície interna da porção do casco interno 215. Do mesmo modo, quando um revestimento 260 é fornecido no interior do casco do reator 11, tal como descrito acima em relação à FIG. 6, o revestimento pode ser um revestimento poroso ou penetrável para permitir que o fluido frio passe através do revestimento e forme uma barreira de fluido frio sobre uma superfície interna do mesmo. A barreira de película pode também ser formada ao longo da superfície interna da porção do casco do reator 11 através de outros métodos, incluindo os que são conhecidos na técnica.
[00092] Em outra abordagem, a parede pode conter uma multiplicidade de pequenos orifícios 360 que descarregam o fluido em uma película,
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 44/63 / 42 formando uma superfície resfriada de película de cobertura total.
[00093] Em outra abordagem, a parede pode conter ranhuras ou grelhas que são fornecidas com refrigerante e formam uma película de resfriamento, descarregando o refrigerante ao longo da parede em uma direção a jusante. A barreira de película 350 também pode ser formada ao longo da superfície interna da parte do casco do reator 11 através de outros métodos, incluindo os que são conhecidos na técnica.
[00094] Em outra abordagem, o método de impacto pode ser combinado com o método de resfriamento de película de cobertura total, em que o fluido de impacto após impactar a parede quente é descarregado através dos orifícios de resfriamento de película 360 em tal parede 365 proporcionando dois efeitos de resfriamento.
[00095] Desta maneira, através do fornecimento de uma barreira de película 350 ao longo de uma superfície interna de pelo menos uma porção do casco do reator 11, a deterioração do casco do reator 11 pode ser restringida durante a operação do reator supersônico 5. A barreira de filme pode reduzir a temperatura a que o casco do reator 11 é exposto durante a operação pelo fornecimento de uma barreira ao fluido do núcleo quente e pelo resfriamento por convecção da parede com a película na temperatura de resfriamento da película.
[00096] O sistema de refrigeração pode incluir vários mecanismos como descritos acima para proporcionar a combinação ótima para maior eficiência operacional.
[00097] A descrição anterior proporciona várias abordagens no que diz respeito a um casco do reator 11 ou uma porção de um casco do reator 11. Deste modo, deve-se entender que pelo menos uma porção do casco do reator 11 pode se referir ao casco do reator inteiro 11 ou pode se referir a menos do que o casco do reator inteiro como irá agora ser descrito em maior detalhe. Como tal, a descrição anterior para vias para melhorar a construção e/ou
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 45/63 / 42 operação de pelo menos uma porção do casco do reator 11 pode ser aplicada geralmente a qualquer parte do casco do reator e/ou pode se aplicar às seguintes partes especificamente descritas do casco do reator.
[00098] Foi identificado que certas partes ou componentes do casco do reator 11 podem encontrar condições de operação particularmente agressivas ou problemas específicos que são peculiares a essa parte ou componente. Assim, de acordo com várias abordagens, certos aspectos da descrição anterior só podem ser aplicáveis às partes ou componentes que eram um problema específico a ser identificado. Locais ao redor do(s) injetor(es) de combustível 30 e injetor(es) de carga de alimentação 45 são exemplos de locais que podem se beneficiar de barreiras de película locais ou de resfriamento ou impacto de película ou passagens de refrigeração por convecção posicionadas localmente.
[00099] Uma zona do reator supersônico 5 que encontra particularmente duras condições de operação durante a operação do mesmo é a zona de combustão 25. Na zona de combustão 25, a corrente de combustível é queimada na presença de oxigênio para criar a corrente carreadora em alta temperatura. As temperaturas na zona de combustão 25 podem ser as temperaturas mais altas presentes na câmara do reator 15, e podem atingir temperaturas entre 2000 e 3500°C em um exemplo, entre 2000 e 3200°C e em outro exemplo. Assim, um problema particular que tem sido identificado na zona de combustão 25 é a fusão do casco do reator 11 na zona de combustão 25 e a oxidação das paredes da câmara de combustão com a presença de oxigênio. A parte do casco do reator em uma zona de combustão 25 pode ser referida como a câmara de combustão 26.
[000100] Outra zona do reator supersônico 5 que encontra particularmente severas condições de operação inclui a zona de expansão supersônica 60, e, particularmente, o bocal expansor supersônico 50 nela localizado. Especificamente, devido ao gás carreador em alta temperatura viajando em
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 46/63 / 42 velocidades supersônicas ou perto de velocidades supersônicas através do bocal expansor 50, o bocal expansor 50 e/ou outras porções da zona de expansão supersônica 60 podem ser particularmente susceptíveis à erosão.
[000101] Do mesmo modo, outras partes do reator supersônica incluindo uma zona difusora 60, uma zona de misturação 55, uma zona do reator 65, e a zona de resfriamento podem encontrar condições de operação severas durante a operação do reator supersônico 5. Equipamento ou componentes adicionais que sejam usados em conjunto com o reator supersônico 5 podem também com encontrar problemas semelhantes e as condições de operação severas, incluindo, mas não limitados a, bocais, linhas, misturadores e trocadores.
[000102] Devido a problemas específicos e a condições de operação nas quais porções ou componentes individuais do reator supersônico podem ser expostos, estas porções ou componentes individuais podem ser formados, operados, ou utilizados de acordo com as várias abordagens aqui descritas, enquanto que outras porções ou componentes são formados, operados, ou utilizados de acordo com outras abordagens, que podem ou não ser aqui descritas.
[000103] Como diferentes componentes ou porções do reator supersônico 5 podem ser formados ou operar de forma diferente, o reator supersônico 5, incluindo o casco do reator 11, pode ser feito como peças separadas e montadas de modo a formar o reator supersônico 5 ou o casco do reator 11. Neste aspecto, o reator supersônico 5 e/ou o casco do reator 11 pode incluir uma configuração modular em que os módulos individuais ou componentes 400 podem ser montados em conjunto, como mostrado na FIG. 11. Por uma abordagem, pelo menos algumas partes ou componentes 400 do reator supersônico montado um ou casco do reator 11 não podem ser anexadas, ao enquanto que gases ou fluidos nele podem estar contidos por ajuste da pressão diferencial entre os componentes. Em outras abordagens, os módulos ou componentes 400 podem ser ligados em conjunto, por exemplo, por flanges
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405 vedados em locais refrigerados da interface entre os componentes. Similarmente, componentes, porções ou módulos 400 diferentes podem incluir diferentes aspectos fornecidos na descrição acima. Por exemplo, alguns módulos ou componentes 400 podem incluir um refrigerante ativo, uma barreira de película, camadas interna e externa, cascos interno e externo, ou outros aspectos descritos acima, enquanto que outras porções, módulos ou componentes 400 podem incluir diferentes aspectos.
[000104] De acordo com uma abordagem, um ou mais componentes ou módulos 400 podem ser removidos e substituídos durante a operação do reator supersônico 5 ou durante a inatividade dele. Por exemplo, como o bocal de expansão supersônica 50 pode deteriorar-se mais rapidamente que outros componentes do reator, o bocal 50 pode ser removível de modo que ele possa ser substituído por um novo bocal quando de sua deterioração. Em uma abordagem, a pluralidade de reatores supersônicos 5 pode ser fornecida em paralelo ou em série com um ou mais reatores supersônicos em operação e um ou mais reatores supersônicos em espera, de modo que se a manutenção ou a substituição de um ou mais componentes do reator supersônico 5 em operação for necessária, o processo pode ser transferido para o reator supersônico em espera para continuar a operação.
[000105] Além disso, os reatores supersônicos podem ser orientados horizontalmente, tal como ilustrado na FIG. 1, ou verticalmente (não mostrado). Quando o reator está configurado na vertical, o fluxo através das correntes do carreador e da alimentação pode estar no sentido vertical para cima em uma abordagem. O fluxo das correntes do carreador e da alimentação pode ser verticalmente para baixo em outra abordagem. Em uma abordagem, o reator supersônico pode ser orientado de tal modo que ele seja de drenagem livre para evitar a acumulação de líquido na zona de resfriamento 72. Em outra abordagem, o reator pode ser orientado verticalmente (90° da horizontal) ou horizontalmente (0° da horizontal) tal
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 48/63 / 42 como indicado acima ou pode ser orientado em um ângulo entre 0° e 90° com a entrada do reator em uma elevação acima da saída do reator. Em outra forma de realização, a saída 80 pode incluir duas ou mais saídas, incluindo uma saída principal 80 para o fluxo de fase de vapor principal e uma saída secundária 81 para drenar líquido. Em uma abordagem, líquido é injetado na zona de resfriamento 72 e não é totalmente vaporizado. Isso pode ocorrer durante o modo de operação em estado estacionário ou transitório. A saída secundária pode ser operada continuamente ou intermitentemente, conforme necessário.
[000106] Em uma abordagem, o casco do reator 11 é vedado em uma extremidade e inclui uma câmara de pressão em uma extremidade oposta do mesmo.
[000107] De acordo com uma abordagem, o casco do reator 11 pode incluir um dispositivo de alívio de pressão 218, tal como ilustrado na FIG. 4. Em uma abordagem, o dispositivo de alívio de pressão 218 inclui um disco de ruptura. Em outra abordagem, o dispositivo de alívio de pressão 218 inclui uma válvula de alívio.
[000108] Em uma abordagem, como mostrado na FIG. 14, o reator supersônico 5 pode inclui uma válvula de isolamento 450 em uma de suas entradas. O reator supersônico pode também incluir um sistema de controle 455 para detectar uma mudança na pressão, em caso de uma ruptura. O sistema de controle 455 pode ser configurado para isolar a entrada em resposta aos mesmos. Em uma abordagem, a entrada é uma entrada de corrente de combustível 4.
[000109] De acordo com uma abordagem, o reator supersônico 5 inclui confinamento magnético para conter os reagentes dentro da câmara de reação 15. [000110] De acordo com outra abordagem, o reator supersônico 5 pode inclui a geração de hidrogênio para gerar hidrogênio a partir da corrente efluente do reator.
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 49/63 / 42 [000111] Em um exemplo, a corrente efluente do reator após pirólise no reator supersônico 5 tem um teor de metano reduzido em relação à corrente de alimentação de metano variando de 15% a 95% mol. Em outro exemplo, a concentração do metano varia de 40 a 90% mol e 45 a 85% mol em outro exemplo.
[000112] Em um exemplo, o rendimento de acetileno produzido a partir de metano na alimentação do reator supersônico é entre 40% e 95%. Em outro exemplo, o rendimento de acetileno produzido a partir de metano na corrente de alimentação situa-se entre 50% e 90%. Com vantagem, isso proporciona um rendimento melhor do que o rendimento de 40% estimado obtido a partir de abordagens de pirólise anteriores mais tradicionais.
[000113] De acordo com uma abordagem, a corrente efluente do reator é reagida para formar outro composto de hidrocarboneto. A este respeito, a porção de efluente do reator da corrente de hidrocarboneto pode ser passada da saída do reator para um processo de conversão de hidrocarbonetos a jusante para novo processamento da corrente. Embora deva ser entendido que a corrente efluente do reator pode ser submetida a várias etapas de processo intermediárias, como, por exemplo, remoção de água, adsorção e/ou absorção para proporcionar uma corrente de acetileno concentrada, etapas intermediárias estas que não serão aqui descritas em detalhes.
[000114] Com referência à FIG. 2, a corrente efluente do reator tendo uma maior concentração de acetileno pode ser passada para uma zona de conversão de hidrocarbonetos a jusante 100, na qual o acetileno pode ser convertido para formar outro produto hidrocarboneto. A zona de conversão de hidrocarbonetos 100 pode incluir um reator de conversão de hidrocarbonetos 105 para a conversão do acetileno em outro produto de hidrocarboneto. Enquanto a FIG. 2 ilustra um diagrama de fluxo de processo para a conversão de pelo menos uma porção do acetileno na corrente de efluente em etileno através da hidrogenação no reator de hidrogenação 110, deve ser entendido
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 50/63 / 42 que a zona de conversão de hidrocarbonetos 100 pode incluir uma variedade de outros processos de conversão de hidrocarbonetos ao invés de ou em adição a um reator de hidrogenação 110, ou uma combinação de processos de conversão de hidrocarbonetos. Similarmente, as operações da unidade ilustradas na FIG. 2 podem ser modificadas ou removidas e são mostradas para fins ilustrativos e não pretendem ser limitativas dos processos e sistemas aqui descritos. Especificamente, identificou-se que vários outros processos de conversão de hidrocarbonetos, além daqueles descritos em abordagens anteriores, podem ser posicionados a jusante do reator supersônico 5, incluindo processos para converter o acetileno em outros hidrocarbonetos, incluindo, mas não limitados a: alquenos, alcanos, metano, acroleína, ácido acrílico, acrilatos, acrilamida, aldeídos, polyacetilidas, benzeno, tolueno, estireno, anilina, ciclo-hexanona, caprolactama, propileno, butadieno, butino diol, butanodiol, compostos de hidrocarbonetos C2-C4, etileno-glicol, combustível diesel, diácidos, dióis, pirrolidinas, e pirrolidonas.
[000115] A zona de remoção de contaminantes 120 para a remoção de um ou mais contaminantes da corrente de hidrocarboneto ou processo pode ser localizada em várias posições ao longo da corrente de hidrocarboneto ou processo dependendo do impacto do contaminante particular sobre o produto ou processo e da razão para a remoção de contaminantes, tal como descrito mais abaixo. Por exemplo, determinados contaminantes têm sido identificados como interferindo na operação do reator de fluxo supersônico 5 e/ou incrustando componentes do reator de fluxo supersônico 5. Assim, de acordo com uma abordagem, uma zona de remoção de contaminante é posicionada a montante do reator de fluxo supersônico a fim de remover estes contaminantes da corrente de alimentação de metano antes da introdução da corrente no reator supersônico. Outros contaminantes têm sido identificados como interferindo em uma etapa de processamento a jusante ou processo de conversão de hidrocarbonetos, em cujo caso a zona de remoção de
Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 51/63 / 42 contaminantes pode ser posicionada a montante do reator supersônico ou entre o reator supersônico e a etapa de processamento a jusante particular em questão. Ainda outros contaminantes têm sido identificados que devem ser removidos para atender a determinadas especificações de produtos. Quando for desejado se remover vários contaminantes da corrente de hidrocarboneto ou processo, várias zonas de remoção de contaminantes podem ser posicionadas em diferentes locais ao longo da corrente de hidrocarboneto ou processo. Em ainda outras abordagens, uma zona de remoção de contaminante pode se sobrepor ou ser integrada com outro processo no interior do sistema, em cujo caso o contaminante pode ser removido durante outra parte do processo, incluindo, mas não se limitando ao reator supersônico 5 ou à zona de conversão de hidrocarboneto a jusante 100. Isto pode ser realizado com ou sem modificação para estas zonas, reatores ou processos particulares. Enquanto a zona de remoção de contaminante 120 ilustrada na FIG. 2 é mostrada posicionada a jusante do reator de conversão de hidrocarbonetos 105, deve ser entendido que a zona de remoção de contaminantes 120 em conformidade com isto pode ser posicionada a montante do reator de fluxo supersônico 5, entre o reator de fluxo supersônico 5 e a zona de conversão de hidrocarbonetos 100, ou a jusante da zona de conversão de hidrocarbonetos 100, como ilustrado na FIG. 2, ou ao longo de outras correntes dentro da corrente de processo, tal como, por exemplo, um corrente de fluido carreador, uma corrente de combustível, uma corrente de fonte de oxigênio, ou quaisquer correntes utilizadas nos sistemas e nos processos aqui descritos.
[000116] Embora tenham sido ilustradas e descritas formas de realização e aspectos particulares, será apreciado que várias alterações e modificações podem ocorrer aos peritos na técnica, e pretende-se nas reivindicações anexas cobrir todas essas alterações e modificações que se enquadram dentro do verdadeiro espírito e âmbito da presente divulgação e das reivindicações anexas.

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Aparelho para a produção de acetileno a partir de uma corrente de alimentação compreendendo metano, caracterizado pelo fato de que compreende:
    um reator supersônico (5) para receber a corrente de alimentação de metano (1) e aquecer a corrente de alimentação de metano (1) a uma temperatura de pirólise;
    um casco do reator (11) do reator supersônico (5) para definir uma câmara de reator (15);
    uma zona de combustão (25) do reator supersônico (5) para a combustão de uma fonte de combustível para fornecer um gás carreador em alta temperatura que passa através do espaço do reator em velocidades supersônicas para aquecer e acelerar a corrente de alimentação de metano (1) a uma temperatura de pirólise;
    pelo menos uma porção do casco do reator (11) formado de um material que tem uma condutividade térmica relativamente elevada entre 200 e 500 W/m.K para conduzir o calor para fora da câmara do reator (15); e em que a porção do casco do reator (11) compreende pelo menos um dentre cobre e liga de cobre; e um sistema de resfriamento ativo de pelo menos uma parte do casco do reator (11) para resfriar a porção do casco do reator (11) para evitar seu derretimento devido às temperaturas de operação; em que a porção do casco do reator (11) inclui passagens (300) e o refrigerante flui através das mesmas; em que as passagens (300) incluem um dentre pelo menos canais formados em uma superfície da porção de casco do reator (11) e túneis formados dentro da porção de casco do reator (11);
    em que tubos de distribuição estão presentes para fornecer refrigerante para e a partir das passagens de refrigeração (300); e
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  2. 2 / 3 em que as passagens (300) ainda compreendem saliências para aumentar a área de superfície para o resfriamento.
    2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de resfriamento ativo inclui um refrigerante que flui sobre pelo menos uma porção do casco do reator (11).
  3. 3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porção do casco do reator (11) tem uma configuração geralmente anular e as passagens (300) são passagens alongadas que se prolongam ao longo do casco do reator.
  4. 4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que as passagens alongadas se estendem de forma helicoidal sobre o casco do reator anelar.
  5. 5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o casco do reator (11) inclui um casco interno (215) e um casco externo (220) e as passagens (300) incluem uma folga entre os cascos interno (215) e externo (220).
  6. 6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o casco do reator (11) inclui um substrato revestido tendo uma porção de substrato externa do casco do reator (11) e uma porção do forro interna do casco do reator (11), e as passagens (300) são formadas entre a porção de forro interna e a porção externa do substrato.
  7. 7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o refrigerante é pressurizado entre 2,413 e 22,063 Mpa.
  8. 8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o refrigerante é selecionado do grupo que consiste de água, vapor, hidrogênio e metano.
  9. 9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a porção do casco do reator (11) compreende um material selecionado do grupo consistindo de cobre cromo, cobre cromo zinco, cobre
    Petição 870190097394, de 30/09/2019, pág. 54/63
    3 / 3 cromo nióbio, cobre níquel e cobre níquel tungstênio.
  10. 10. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de resfriamento ativo inclui um sistema de resfriamento de impacto.
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