BR112015004134B1 - forno para executar processo endotérmico e processo para operar forno para executar processo endotérmico - Google Patents

Abstract

PROCESSO E APARELHO PARA REAÇÕES ENDOTÉRMICAS. A presente invenção refere-se a um forno para executar um processo endotérmico, que compreende tubos (2), que contêm um catalisador para converter uma alimentação gasosa, sendo que os referidos tubos (2) estão posicionados no interior do forno (1), queimadores internos (3a) montados em um teto de forno (1b) entre os tubos (2) e queimadores externos (3b) montados no teto de forno (1b) entre os tubos (2) e uma parede de forno (1a). Os queimadores externos (3b) estão posicionados próximos à parede de forno (1a), e configurados para operar com 45 - 60% da potência dos queimadores internos (3a) e com uma velocidade de entrada entre 90 a 110% da velocidade de entrada dos queimadores internos (3a).

Description

[001] A presente invenção refere-se à configuração de fornos com combustão no alto para reformar metano de vapor (SMR) e outras reações endotérmicas em reatores com combustão externa.

[002] O processo de SMR está baseado, principalmente, na reação de hidrocarbonetos leves, tais como metano, que fornece uma mistura de hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO), na presença de vapor de água. A reação é endotérmica e lenta e necessita de entrada de calor adicional, bem como um catalisador para ocorrer. O reator de SMR normalmente compreende diversos tubos colocados em um forno, sendo que os referidos tubos estão cheios com péletes de catalisador e alimentados com a mistura de gás de processo de metano e vapor.

[003] Diversos tipos de configurações de fornos são encontrados em toda a indústria. A tecnologia com combustão no alto é uma das configurações mais recomendadas e é proposta por diversos fornecedores de tecnologia. Fornos com combustão no alto são feitos, tipicamente, de uma fornalha revestida de modo refratário, contendo diversas fileiras de tubos que contêm catalisador. Queimadores de teto são colocados em fileiras entre as fileiras de tubos e os produtos de combustão dos queimadores são normalmente soprados verticalmente para baixo, de medo que as fileiras de tubos estão voltadas para as chamas em sua parte superior. Um coletor de escapamento de gases de combustão está normalmente previsto no nível do piso do forno.

[004] O principal objetivo da configuração do forno, frequentemente também chamado de configuração de fornalha, é maximizar o calor transferido das chamas do queimador aos tubos, enquanto é respeitada uma limitação de temperatura operacional máxima, que é uma função da carga mecânica do tubo (principalmente, pressão de gás de alimentação), as propriedades mecânicas das ligas usadas para os tubos e a vida útil desejada para os tubos. Na verdade, qualquer intensificação do calor transferido aos tubos tem um impacto positivo direto, tanto na produtividade do forno ou no tamanho reduzido da fornalha, o que é valioso em termos de gastos de capital. Porém a intensificação da quantidade de calor normalmente implica em níveis de temperatura mais altos do revestimento do tubo, que reduzem a vida útil do tubo ou exigem ligas mais resistentes, que são muito mais caras.

[005] Os perfis de temperatura dos tubos de catalisador são, portanto, um elemento crítico da configuração e operação do forno, no ponto focal do compromisso entre desempenho e durabilidade. Os perfis verticais típicos para o fluxo de calor dos tubos e temperatura estão desenhados na Figura. 2 em uma média circunferencial. O perfil de fluxo de calor claramente destaca que a parte da entrada de alimentação (superior) do tubo é a zona preferida para a transferência de calor. Na verdade, diversos fatores favorecem a maximização do fluxo de calor:

[006] • Vizinhança dos queimadores e ponto de entrada de alimentação, implicando em uma diferença de temperatura máxima entre a carga (tubos) e a fonte de liberação de calor (queimadores)

[007] • As taxas de reação mais altas e, portanto, queda de calor, que puxa as temperaturas dos tubos para baixo.

[008] Isso destaca a superioridade do modelo de combustão do alto, comparado a outros, com relação à eficiência de transferência de calor.

[009] Quanto mais denso for o fluxo de calor e o perfil de temperatura na parte superior do tubo, tanto mais alta é a quantidade de calor para o tubo à mesma temperatura calculada (resistência à fluência), e, portanto, tanto mais alta a capacidade de quantidade de fluxo de gás de processo por tubo à mesma quantidade de conversão. O modelo efetivo com combustão no alto para aumentar a transferência de calor na parte superior do forno está limitado à capacidade de chamas gasosas produzidas por queimadores convencionais usados nos fornos para transferir a energia química aos tubos da radiação de gases quentes. Na verdade, diversos fenômenos limitam a habilidade de queimadores com combustão inferior convencionais:

[0010] • Altos níveis de óxido de nitrogênio (NOx) penalizam a seleção de queimadores de chamas curtas por razões ambientais, enquanto um meio típico para reduzir as emissões de NOx térmicas é diluir a chama com gases queimados ou ajustar as injeções de combustível, de modo que a temperatura máxima da chama é reduzida para abaixo de 1000°C. Como resultado é reduzida a capacidade da chama de transferir calor para a parte superior do forno e, portanto, o calor fornecido para a reação. Essa limitação é um compromisso típico entre chamas longas e mais frias e chamas mais curtas, menos eficientes para NOx.

[0011] • A física da transferência de calor de radiação entre meios gasosos e paredes é intrinsecamente menos eficiente do que a entre superfícies de parede ou temperaturas diferentes. O volume de tamanho característico de 1m de gases quentes tem, tipicamente, uma emissão líquida amplamente abaixo de um de superfície sólida de alta emissão, aquecida à mesma temperatura.

[0012] Além disso, em reformadores de combustão no alto, o calor necessário para a reação endotérmica ocorrer é fornecida por queimadores localizados entre os tubos. Queimadores adicionais no lado do forno, ao longo das paredes do forno estão aquecendo apenas uma fileira de tubos em um lado e a parede refratária no outro lado. Os queimadores no centro da fornalha estão aquecendo duas fileiras de tubos nos dois lados da fileira de queimadores. Portanto, a potência necessária dos queimadores laterais é menor (~52%, incluindo perdas de calor na parede lateral) do que a no centro do forno. Reduzir a potência injetada nas fileiras de queimadores laterais, enquanto é mantida constante a estequiometria, implica em reduzir as quantidades de fluxo de ar e combustível.

[0013] O mecanismo de fluidos e a teoria de jatos definem a disposição de fluxo típica dentro de uma fornalha com combustão no alto, significando a aspiração de jatos de gases de combustão quentes de queimadores laterais em direção ao centro do meio da fornalha. A chama do jato arrasta parte do gás de combustão circundante, criando uma depressão e, consequentemente, uma recirculação de gás de combustão. Portanto, os queimadores localizados ao longo das paredes são submetidos a uma recirculação menor (isto é, depressão) no lado da parede do que no lado do forno, devido à presença da próxima fileira de queimadores. Se a potência ou quantidades de fluxo mais baixas ao longo das paredes laterais leva a uma velocidade mais baixa, isso reforça o efeito de curvatura das chamas laterais para o centro, devido ao impulso mais fraco dos jatos laterais, tal como ilustrado na Figura. 3.

[0014] No documento US 2007/0099141 A1 são propostos um método e um forno para gerar chamas alinhadas em um forno, sendo que um oxidante é introduzido em uma pluralidade de condutos de oxidante. Cada um dos condutos de oxidante tem uma saída em comunicação de fluido com um interior de forno próximo a uma primeira extremidade interior do forno. A primeira extremidade interior do forno tem uma área projetada horizontalmente. As saídas do conduto de oxidante definem uma área combinada de jato livre de turbulência, que se projeta horizontalmente, a 30% da distância média da primeira extremidade interior do forno para uma segunda extremidade interior do forno prevista oposta à primeira extremidade interior.

[0015] O documento US 2007/0128091 descreve uma câmara de forno circundada por uma parede de forno circunferencial, na qual está disposta uma pluralidade de queimadores dispostos, essencialmente, em um plano, com a direção de saída do queimador voltada para baixo e uma pluralidade de tubos de reação, disposta, essencialmente, verticalmente e paralelamente uma à outra, sendo que os tubos de reação são aquecidos pelo exterior por meio de queimadores de combustão. Pretende-se aperfeiçoar a distribuição de calor e toda a transferência de calor. Isso é obtido dispondo pelo menos os queimadores externos na região da parede de forno com uma direção de saída de queimador, que está inclinada em relação à vertical, afastando-se do centro do forno.

[0016] «O documento EP 2 369 229 A2 descreve um reformador e um método para operar esse reformador, incluindo a combustão de um combustível em uma região de combustão de um reformador com combustão superior ou inferior, sendo que pelo menos um dos queimadores é um queimador ligado à parede, formando uma injeção não uniforme. As propriedades da injeção não uniforme geram um perfil de calor, que fornece uma primeira densidade de calor proximal a uma parede e uma segunda densidade de calor distal da parede, sendo que a segunda densidade de calor é maior do que a primeira densidade de calor. As propriedades de injeção não uniforme são formadas selecionado um ângulo de um ou mais injetores, uma quantidade de fluxo de um ou mais injetores, uma quantidade e/ou localização de injetores de oxidante, uma quantidade e/ou localização de injetores de combustível, e combinações dos mesmos.

[0017] «O artigo "Fluegas flow patterns in top-fired steam reforming furnaces" de W. Cotton, publicado em 2003., por Johnson Matthey, ensina que reformadores, que compreendem queimadores externos, com uma combustão com uma quantidade de 70% comparados a queimadores internos e uma pista externa entre os tubos e o lado do forno que tem 70% da largura das pistas internas entre duas fileiras de tubos reduzem o problema de recirculação. De acordo com o artigo, também é possível operar com 100% estimados de queimadores externos com combustão dentro de uma pista externa com a mesma largura como as pistas internas, sem qualquer curvatura das chamas para o centro do forno.

[0018] Todas as soluções propostas têm em comum o fato de que elas não possibilitam uma configuração de forno, que abastece queimadores externos apenas com a quantidade de potência necessária. Tal como apresentado, por exemplo, no artigo citado "Fluegas flow patterns in top-fired steam reforming furnaces", a quantidade de potência do queimador não é reduzida para o valor calculado de cerca de 52%.Portanto, as soluções conhecidas evitam a curvatura da chama para o centro do forno, mas não evitam um superaquecimento dos tubos que contêm catalisador, situados próximos às paredes do forno. Esse superaquecimento leva a reações secundárias indesejáveis e um dano irreversível do catalisador.

[0019] Portanto, é o objetivo da presente invenção propor um forno e um método para operar esse forno, que evita o efeito de curvatura das chamas laterais para o centro, bem como o problema de superaquecimento dos tubos próximos às paredes do forno.

[0020] Essa tarefa é realizada pelas características da presente reivindicação 1. O forno para realizar um processo endotérmico compreende diversos tubos que contêm tubos, que estão dispostos dentro do forno, tipicamente em fileiras. Dentro desses tubos de catalisador, uma alimentação gasosa (reagente) é convertida em uma energia absorvedora de reação pelo ambiente na forma de calor. Essa calor é fornecido por diversos queimadores, que estão posicionados no lado superior do forno. Partes dos queimadores são os chamados "queimadores internos" e estão posicionados entre as fileiras de tubos, enquanto os chamados "queimadores externos " estão dispostos entre os tubos mais externos e a parede do forno. A direção da saída do queimador está voltada para baixo. Os tubos de catalisador estão dispostos, essencialmente, verticalmente e paralelamente um ao outro, sendo que a alimentação corre através dos tubos do alto para baixo.

[0021] Para evitar a curvatura da chama e superaquecimento dos tubos, são propostas três modificações da atual configuração:

[0022] *Os queimadores externos ou laterais estão posicionados próximos à parede, de modo que suas chamas estão coladas na parte refratária. Isso evita que as chamas se curvem em direção ao centro do forno, devido ao chamado efeito de "parede de jato", que possibilita à chama correr para fora da parede. Próximo à parede, no sentido da presente invenção, significa que a corrente emitida do bocal do queimador está correndo diretamente ao longo da parede. O queimador é posicionado tão perto quanto possível da parede, até mesmo tocando a mesma. De preferência, isso significa que a distância do eixo central do queimador para a parede do forno é menor que 25%, de preferência 10%, de modo particularmente preferido, 5%, de modo destacadamente preferido, 2% da distância entre os tubos mais externos e a parede do forno. Na maioria dos casos, os queimadores laterais não são circulares, mas de um formato retangular plano.

[0023] • A potência dos queimadores laterais ou externos está ajustada para um valor entre 45 e 60%, de preferência, 50 a 55%, da potência dos queimadores internos. Isso evita o superaquecimento dos tubos na segunda fileira de tubos, tal como explicado acima. A potência é ajustada pela quantidade do combustível queimado.

[0024] • «s queimadores externos estão dimensionados de modo que sua velocidade na entrada de jato é essencialmente a mesma como nos queimadores internos. Desvios de, no máx. 10%, de preferência 5%, são possíveis. Isso possibilita que a disposição de fluxo seja mais suave e as linhas de corrente mais retas para baixo. A velocidade de entrada de alimentação do queimador é ajustada pelo fluxo de volume total através do bocal do queimador.

[0025] Em uma modalidade preferida da invenção, os tubos estão dispostos em fileiras. De acordo com a invenção, uma fileira é uma disposição de pelo menos dois, de preferência, pelo menos três, queimadores em uma linha reta ou uma disposição de queimadores com a mesma distância para o centro do forno (tal como anéis em torno do centro de um círculo).

[0026] A relação da distância entre a parede lateral do forno e a primeira fileira de tubos para o espaço vazio entre as duas fileiras de tubos subsequentes é ajustada para o mesmo valor como a relação entre a potência dos queimadores externos e internos. Isso permite que uma velocidade média constante seja mantida sobre a fornalha. Isso deve evitar perturbação do fluxo devido a velocidades diferenciais de regiões diferentes do forno.

[0027] Além disso, a ideia da invenção para gerar um perfil de temperatura homogêneo para o forno é alcançada ainda melhor se for usada uma assim chamada "superfície sólida com emissividade alta". Para esse efeito, pelo menos partes das paredes são fornecidas com uma resistência à alta temperatura, superfície sólida com emissividade alta. As superfícies de radiação estão dispostas de tal modo que elas extraem muito calor das chamas através da troca radiativa e convectiva, para ter uma temperatura de superfície mais alta e de tal modo que elas emitam, de volta, um fluxo de radiação alto em direção à parte superior dos tubos, sendo que os referidos tubos estão a temperaturas relativamente baixas em comparação com as superfícies de radiação.

[0028] Tijolos refratários de alta emissividade, ou chapas finas ou camada revestida estão dispostos na superfície do teto do forno e parte superior das paredes laterais, sendo que a alta emissividade tanto é de propriedades intrínsecas do material, por exemplo, usando chapas de carbureto de silício, ou por tratamento ou texturização de superfície, por exemplo, usando chapas de espuma cerâmica, de preferência feitas de óxido de alumínio ou óxido de silício.

[0029] Resultados particularmente bons são obtidos se pelo menos uma parte dos queimadores forem chamados "queimadores de chama de jato". As chamadas "chamas de jato" estão caracterizadas por um perfil de velocidade inicial de uma chama semelhante a uma corrente de tubo completamente desenvolvida. A escova de chama está pincipalmente confinada dentro da camada de mistura do jato. As chamas estão muito oblíquas para a corrente incidente e parecem mais finas e altas.

[0030] Também a configuração de pelo menos alguns dos queimadores como chamados queimadores com "tecnologia de chama de esfera de alto turbilhão" leva a um perfil de temperatura muito homogêneo sobre o forno. Alto turbilhão promove a formação de uma zona de recirculação e é o mecanismo essencial para a estabilização da chama. Correntes turbulentas podem ser produzidas tanto por injeções de jato tangenciais ou por dispositivos de turbilhão de palhetas A chama está ancorada pelos produtos quentes encerrados dentro da zona de recirculação. A quantidade de turbilhão expressão em termos de um numero de turbilhão determina o tamanho e a intensidade da zona de recirculação na maioria das propriedades de chama.

[0031] A implementação da chama dentro de um espaço fechado de invólucro radiador poroso leva a um perfil de temperatura mais homogêneo da própria chama. O invólucro radiador é feito de material resistente a altas temperaturas, tal como espuma cerâmica porosa, com alta emissividade (carbureto de silício, óxido de alumínio e óxido de silício). O uso de queimadores radiantes possibilita configurar o forno com calçamento otimizado de tubo para tubo do queimador, que minimiza não homogeneidades no fluxo circunferencial. Os calçamentos mais interessantes são uma configuração de quadrados ou hexaédrica do queimador, com relação aos tubos de catalisador.

[0032] O calçamento quadrado é vantajoso para a homogeneidade do fluxo de calor e possibilita uma configuração mais simples do tubo de distribuição, para a distribuição dos fluidos (ar de combustão, combustível e alimentação); necessita, porém, de uma densidade de queimador maior por tubo.

[0033] O calçamento hexaédrico é ótimo do ponto de vista de distribuição de fluxo de calor e limitação de números de queimadores, mas necessita de uma ligeira complexidade adicional na configuração da distribuição de fluidos e sistemas coletores. O comprimento do invólucro irradiante deve ser adaptado com base no calçamento e no diâmetro do tubo, vantajosamente, entre 10 e 40% do comprimento do tubo, ótimo, entre 20 e 33% do comprimento do tubo.

[0034] A configuração preferida do teto do forno é tal que as superfícies de alta temperatura, alta emissividade, têm sua respectiva normal dirigida em direção aos tubos. As superfícies emissoras correspondentes podem ser vantajosamente consideradas tanto salientando-se em um formato convexo para dentro da câmara de combustão ou, pelo contrário, estão recuadas em uma forma côncava. Chapas refratárias de alta emissividade podem estar dispostas na região aquecida pela chama. Para a forma convexa, a realização mais simples está baseada em queimadores de parede com chamas de jato dirigidas para baixo em torno do abaulamento convexo com chamas dirigidas para baixo. Uma configuração mais complexa prevê que as chamas queimem para cima da extremidade de ponta do abaulamento convexo, para aumentar a área de irradiação coberta pelas chamas e, assim, transferir eficiência aos tubos.

[0035] A invenção também cobre um processo para operar um forno, tal como descrito acima. Esse processo inclui as características da reivindicação 11. Um reagente gasoso é alimentado através de tubos que contêm catalisador para realizar um processo endotérmico. Os tubos de catalisador estão posicionados dentro do forno e estão aquecidos por queimadores internos colocados no alto do forno, entre os tubos, ou por queimadores externos, colocados no alto do forno, entre os tubos mais externos e a parede do forno. Posicionando os queimadores externos próximos à parede, operando esses queimadores externos com 45 a 60%, de preferência, 50 a 55% da potência dos queimadores internos e, essencialmente, com a mesma velocidade de entrada como os queimadores internos, é possível gerar um perfil de temperatura homogêneo nos tubos de catalisador. A velocidade de entrada dos queimadores externos é ajustada para ser de entre 90 e 110%, de preferência, 95 a 105%, da velocidade dos queimadores internos, de modo que há um desvio máximo de 10%, de preferência 5%, entre as velocidades de entrada.

[0036] De preferência, pelo menos algumas das chamas dos queimadores estão dirigidas do alto para baixo do forno, para evitar quaisquer fenômenos de aquecimento local.

[0037] Resultados até mesmo melhores são obtidos se o reagente correr através dos tubos de catalisador do alto para baixo do forno, sendo que a maior parte do reagente já é convertida na zona de entrada no alto do forno, uma vez que ali está o ponto mais quente das chamas dos queimadores.

[0038] Para obter a mesma velocidade de entrada nos queimadores internos como nos queimadores externos, verificou-se que, vantajosamente, a velocidade de entrada é ajustada por injeção de ar. Usando ar para adaptar a corrente de entrada, a reação de combustão no queimador praticamente não é influenciada. Além disso, ar é, naturalmente, o gás mais barato.

[0039] O processo reivindicado leva a resultados particularmente bons se o processo for um processo de reforma de vapor.

[0040] A invenção é descrita agora em mais detalhes na base de modalidades preferidas e dos desenhos. Todas as características descritas ou ilustradas formam o objeto da invenção, independentemente de sua combinação nas reivindicações ou de sua referência anterior.

[0041] Nos desenhos:

[0042] Figura. 1 mostra a configuração típica de um forno, antes de uma reação endotérmica em tubos que contêm catalisador;

[0043] Figura. 2 mostra o fluxo de calor e perfil de temperatura típicos no tubo vertical;

[0044] Figura. 3 mostra uma ilustração da curvatura da chama;

[0045] Figura. 4 mostra a quantidade média de tubos, fileira por fileira, para um forno de reformador (8 fileiras de tubos) e uma fornalha de 24 fileiras de tubos virtual;

[0046] Figura. 5 mostra, esquematicamente, a seção do forno, incluindo a configuração proposta;

[0047] Figura. 6 mostra a quantidade de tubos normalizada, média fileira por fileira, para referência e configuração do reformador otimizada;

[0048] Figura. 7 mostra a quantidade normalizada para um compartimento de tubos padrão (17 tubos) em um reformador com 8 fileiras de tubos ((a) configuração efetiva (b) configuração otimizada);

[0049] Figura. 8 mostra a realização de um queimador, em combinação com uma camada refratária de alta emissividade;

[0050] Figura. 9 mostra o conceito de chama com alto turbilhonamento;

[0051] Figura. 10 mostra o conceito de queimador irradiante para chama de difusão e premix;

[0052] Figura. 11 mostra o queimador irradiante para a disposição de tubos;

[0053] Figura. 12 mostra a realização do teto do forno como parede de irradiação;

[0054] Figura. 13 mostra opções para configurações de um teto côncavo;

[0055] Figura. 14 mostra opções para configurações com um teto convexo;

[0056] Figura. 15 mostra um queimador de teto irradiante linear.

[0057] A Figura. 1 mostra uma disposição típica de um forno de combustão no alto 1 usado para obter um gás de síntese de uma alimentação (reagente), que compreende, por exemplo, metano e vapor. Tubos de catalisador 2 estão previstos em diversas fileiras dentro do forno 1. A alimentação é fornecida através de tubos 2 do alto para baixo, de onde é retirado o produto resultante, por exemplo, um gás de síntese, que compreende hidrogênio, monóxido de carbono e resíduos. Entre as fileiras de tubos, queimadores 3 disparam verticalmente de baixo para cima. Os gases de combustão resultantes são retirados através de túneis de exaustão 4.

[0058] Os perfis verticais típicos para fluxo de calor e temperatura estão desenhados na Figura. 2. É evidente que o fluxo de calor e o perfil de temperatura estão acoplados um ao outro. Quanto mais denso for o fluxo de calor e o perfil de temperatura está na parte superior do tubo, tanto mais alta é a quantidade de calor para o tubo à mesma temperatura e tanto mais alto é a capacidade da quantidade de corrente de gás de processo, à mesma quantidade de conversão.

[0059] A Figura. 3 é uma ilustração da curvatura da chama para 4 e 8 fileiras de tubos (apenas metade da fornalha foi simulada por razões de simetria). A teoria do mecanismo de fluido e jatos define a disposição de corrente típica dentro de uma fornalha com combustão no alto, o que significa a aspiração de jato de gases queimados quentes de queimadores laterais em direção ao centro no meio da fornalha. Se a potência mais baixa ou quantidades de corrente ao longo das paredes laterais levar a uma velocidade mais baixa, isso reforça o efeito de curvatura das chamas laterais para o centro, devido ao impulso mais fraco dos jatos laterais.

[0060] A Figura. 4 mostra a quantidade de tubos média, simulada, por fileira para um reformador (forno), com uma fornalha com 24 fileiras de tubos (apenas uma metade da fornalha foi simulada por razões de simetria). Para enfrentar o fenômeno do efeito de curvatura, o impulso das fileiras de queimadores laterais foi aumentada, passo a passo, até 78% da potência de queimador interna. A curvatura da chama não é suprimida, e o aumento de potência cria uma região superaquecida no lado do forno, cujo valor de pico está localizado na segunda fileira de tubos da parede, devido ao gás de combustão quente, que corre através da primeira fileira de tubos e aquece a fileira seguinte.

[0061] A Figura.5 mostra a modificação da configuração, tal como proposta com a presente invenção, sendo que dois canais 5, 6 são definidos pela parede do forno 1a e os tubos de catalisador 2. A distância d entre duas fileiras de tubo de catalisador 21 e 22 define o canal central 5. Queimadores internos 3a estão posicionados centralmente entre tubos 21 e 22 no teto 1b do forno 1. No canal 6 definido entre o tubo de catalisador externo 21 e a parede do forno 1a, queimadores externos ou laterais 3b estão dispostos no teto 1b do forno. A dimensão d1 do canal externo 6 está ajustada, de modo que sua relação para a distância d é a mesma como a relação da potência dos queimadores externos e internos, a saber, 45 a 60%, de preferência, 50 a 58%, e de modo particularmente preferido, aproximadamente, 55% do diâmetro d.

[0062] A configuração descrita acima foi simulada usando a ferramenta de simulação SMR3D (ferramenta patenteada Air Liquide baseada em uma ferramenta Computational Fluid Dynamic (CFD) [Dinâmica dos Fluidos Computacional], acoplada a um modelo de tubo reformador). O resultado da simulação é apresentado nas Figuras. 6 e 7 e comparado a uma configuração de referência. A configuração otimizada da presente invenção resulta em uma homogeneidade de quantidade muito melhor na escala do reformador. O desvio padrão da quantidade de tubos foi diminuído e otimizado - fileira por fileira - para 1% vs. 4% no caso de referência e, tal como mostrado na Figura. 7, tubo por tubo, para 3,5% vs. 6,5 no caso de referência.

[0063] A Figura. 8a mostra a realização mais simples de um queimador 3, em combinação com uma camada refratária 7 de alta emissividade, prevista no interior do teto do forno 1b.A camada refratária 7 de alta emissividade pode ser formada por tijolos, placas finas ou uma camada revestida, sendo que a alta emissividade resulta de propriedades de material intrínsecas, por exemplo, usando placas de SiC, ou de tratamento ou texturização de superfície, por exemplo, usando placas de espuma cerâmica. Uma fileira de queimadores de jato 3 de potência reduzida, separada, forma uma chama contínua plana. Comparada com a técnica anterior, a realização inovadora proposta usa queimadores de chama de jato dispostos em uma chama contínua, com um número grande de ar disposto e injeção de combustível, por exemplo, entre 10 e 30 injetores por metro, comparado com queimador a cada 2 a 6 metros, tal como proposto em configurações da técnica anterior.

[0064] Para a realização de transferência de calor mais eficiente, queimadores de parede 8 podem estar baseados em uma tecnologia de queimador radial, tal como mostrado na Figura. 8b, ou em uma tecnologia de queimador de parede de rampa, tal como mostrado na Figura. 8c, igualmente dispostos em ziguezague com os tubos.

[0065] Tal como apresentado na Figura. 9, também é possível a realização da tecnologia de combustão da chama de esfera de turbilhonamento associada a uma camada de alta emissividade 7 no teto de forno 1b. Na mesma, a própria chama é capturada em uma zona de recirculação, quando compreendem, bem como a fonte de oxigênio e/ou vapor é recirculada de um ponto inferior da chama, de volta na direção do teto do forno.

[0066] A Figura. 10 mostra duas realizações da invenção usando uma unidade de queimadores irradiantes cilíndricos de dois tipos possíveis: a Figura.10a mostra uma chama de difusão encerrada em um anteparo 9 irradiante. Passagens 10 para deixar gases de combustão entrar na raiz da chama por um efeito Venturi são recomendadas, para obter quantidades de NOx baixas. A diluição dos reagentes de combustão com gás de combustão reduzem a temperatura de chama máxima. Tanto a diluição como a temperatura baixam a cinética da formação de NOX.

[0067] A combustão previamente misturada com conexão da própria chama em uma forma porosa é apresentada na Figura. 10b.Areação de combustão ocorre dentro do meio poroso, que é aquecido e emite radiação em direção aos tubos na frente ao mesmo. A principal vantagem dessa tecnologia é que a irradiação pode ser localizada no local ótimo, no que se refere à transferência de calor para os tubos.

[0068] O invólucro irradiante é feito de material resistente à alta temperatura, tal como espuma cerâmica porosa, com alta emissividade (SiC, Al2O3, ZrO2).

[0069] O uso de queimadores irradiantes possibilita configurar o forno com calçamento, tubo a tubo, de queimador otimizado, que minimiza as não homogeneidades de fluxo circunferenciais, tais como apresentados na Figura. 11. São propostos dois calçamentos de tubos: A Figura. 11a mostra um calçamento de tubo quadrado, enquanto a Figura. 11b mostra um calçamento de tubo hexaédrico com um queimador padrão.

[0070] A Figura.12 mostra a realização de queimadores, que aquecem o próprio teto do forno 1b e usa esse teto como uma parede de irradiação. Tal como mostrado na Figura. 12a, é possível configurar o alto isolamento, o revestimento refratário de condutividade de calor baixa, em uma forma convexa ou, tal como mostrado na Figura. 12b, côncava.

[0071] A Figura. 13 mostra configurações de queimador diferentes, que podem ser realizadas em um teto de queimador formado de modo côncavo. A vista em seção transversal para as duas paredes oblíquas 1c irradiantes está ilustrada na Figura. 13a, sendo que o ângulo Ca ótimo está abaixo ou em torno de 50°, e a largura do teto côncavo horizontal Cw está configurada com base na largura do corredor de tubos W e o ângulo Ca, de modo que é mantido espaço suficiente para dispor os queimadores de modo correspondente.

[0072] Na Figura. 13b, queimadores de jato 3 típicos, tais como mostrados na Figura. 8, estão dispostos em linhas para ser dirigidos para baixo ao longo das paredes irradiantes oblíquas 1c em cada lado do teto côncavo.

[0073] A Figura. 13c apresenta o mesmo tipo de configuração com um queimador de parede linear contínuo.

[0074] Na Figura.13d, queimadores de parede radiais típicos estão dispostos no teto côncavo, com espaçamento L, de modo que é encontrado o melhor compromisso entre homogeneidade de fluxos de calor e redução do número de queimadores. Pode corresponder, tipicamente, a um queimador a cada 2 a 8 tubos.

[0075] Finalmente, a Figura. 13e apresenta uma configuração, onde queimadores de turbilhonamento alto clássicos são instalados no teto côncavo.

[0076] A Figura. 14 mostra uma configuração de teto convexa ("teto com ponta"). Na Figura. 14a, queimadores de parede 3 estão dispostos em torno da forma convexa, com combustão para baixo; na Figura. 14b, os queimadores 3 estão dispostos dentro do teto convexo, de modo que as chamas são dirigidas para cima, da extremidade em ponta para aumentar a área de radiação coberta pelas chamas, e, portanto transferência de eficiência aos tubos 2.

[0077] Tal como mostrado na Figura. 15, também é possível obter uma câmara de combustão porosa, na qual pelo menos um queimador de grande potência é posto em combustão. Aberturas próximas à raiz da chama (paredes laterais do forno 1a) podem ser adicionadas para deixar gases de combustão recircular da atmosfera do forno para a câmara gerador de gás pela pressão de seção do efeito Venturi. A configuração apresentada na Figura. 15a mostra uma única disposição de queimador com combustão em ziguezague de um corredor de tubo- a-tubo para outro. Essa configuração o economiza custos de capital de diversos queimadores unitários, em comparação com a técnica anterior, onde até 15 ou 20 por fileira são usados em um reformador grande, com combustão no alto, e que podem ser substituídos por um ou dois na presente modalidade. Uma configuração mais confiável é ter dois queimadores por anal de radiação, tal como mostrado na Figura. 15b, de modo que o desempenho do forno é afetado de modo menos critico no caso de queimadores não aceitos para baixo.

[0078] LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA 1 forno 1a parede de forno 1b teto de forno 1c parede de forno oblíqua 2 tubo 3 queimador 3a queimador interno 3b queimador externo 4 túnel de exaustão 5 canal central 6 canal externo 7 camada refratária de alta emissividade 8 queimador de parede 9 anteparo de radiação passagem

Claims (15)

1. Forno para executar um processo endotérmico compreendendo tubos (2) contendo um catalisador para converter uma alimentação gasosa, em que os referidos tubos (2) estão posicionados dentro do forno (1), queimadores internos (3a) montados no teto do forno (1b) entre os tubos (2) e os queimadores externos (3b) montados no teto do forno (1b) entre os tubos (2) e uma parede do forno (1a), caracterizado pelo fato de que os queimadores externos (3b) estão posicionados de modo que a distância do eixo central dos queimadores externos (3b) à parede do forno (1a) seja inferior a 25% da distância entre os tubos mais externos e a parede do forno (1a) e que os queimadores externos (3b) estão configurados para operar com 45 a 60% da potência dos queimadores internos (3a) e com uma velocidade de entrada entre 90 a 110% da velocidade de entrada dos queimadores internos (3a).

2. Forno, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os tubos (2) estão posicionados em fileiras e que a razão da distância entre a parede do forno (1a) e a primeira fileira de tubos em relação ao espaço entre duas fileiras de tubos adjacentes corresponde à razão entre a potência dos queimadores externos e a potência dos queimadores internos (3a, 3b).

3. Forno, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte do teto do forno (1b) é provida de uma superfície sólida de alta emissividade (7) e resistente à temperatura.

4. Forno, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a superfície sólida de alta emissividade (7) contém carboneto de silício ou espumas porosas cerâmicas.

5. Forno, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos queimadores (3a, 3b) são queimadores a jato.

6. Forno, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos queimadores (3a, 3b) são queimadores com tecnologia de chama de bola com alto turbilhão.

7. Forno, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos queimadores (3a, 3b) estão dispostos de modo que a chama seja formada sobre uma blindagem radiante porosa.

8. Forno, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos queimadores (3a, 3b) estão dispostos em uma configuração quadrada ou hexaédrica em relação aos tubos de catalisador (2).

9. Forno, de acordo com a reivindicação 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que o comprimento da blindagem radiante está entre 10 e 40% do comprimento do tubo contendo catalisador.

10. Forno, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma parte do teto do forno (1a) é projetada para ter uma forma convexa ou côncava.

11. Processo para operar um forno para executar um processo endotérmico com tubos (2) contendo catalisador posicionados no interior do forno para converter uma alimentação gasosa e que são aquecidos por queimadores internos (3a) montados no teto do forno (1b) entre os tubos (2) e por queimadores externos (3b) montados no teto do forno (1b) entre os tubos (2) e a parede do forno (1a), caracterizado pelo fato de que os queimadores externos (3b) estão posicionados de modo que a distância do eixo central dos queimadores externos à parede do forno seja inferior a 25% da distância entre os tubos mais externos e a parede do forno, que os queimadores externos (3b) sejam operados com 45 a 60% da potência dos queimadores internos 3a) e que a velocidade de entrada dos queimadores externos (3b) seja ajustada para estar entre 90 e 110% da velocidade de entrada dos queimadores internos (3a).

12. Processo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das chamas dos queimadores são direcionadas de cima para o fundo do forno (1).

13. Processo, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a alimentação flui através dos tubos (2) de catalisador dispostos verticalmente, de cima para baixo do forno (1).

14. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a velocidade de entrada é ajustada por injeção de ar.

15. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 14, caracterizado pelo fato de que o processo endotérmico é um processo de reforma a vapor.

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