BR112015010642A2 - estrutura de transferência de calor de reator de leito fixo - Google Patents

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Abstract

resumo estrutura de transferência de calor de reator de leito fixo trata-se de um aparelho que inclui uma estrutura de transferência de calor configurada para ser disposta pelo menos parcialmente no interior de um invólucro de um reator de leito fixo e operável para transferir calor a partir de uma fonte de calor para um dissipador de calor. a estrutura de transferência de calor inclui uma pluralidade de aletas em que cada aleta inclui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo e em que a segunda extremidade está pelo menos parcialmente envolvida no interior do invólucro do reator de leito fixo. uma trajetória de pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas compreende o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas e a segunda extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas.

Description

ESTRUTURA DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR DE REATOR DE LEITO FIXO REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS [001] Este pedido reivindica o benefício do Pedido Provisório n- U.S. 61/725385, depositado em 12/11/2012, que está incorporado a título de referência no presente documento em sua totalidade.
CAMPO DA TÉCNICA [002] A presente revelação refere-se a estruturas de transferência de calor no interior de reatores de leito fixo. Em particular, a presente revelação se refere a estruturas de transferência de calor usadas durante reações exotérmicas e endotérmicas para controlar, de modo mais eficiente, a temperatura no interior de reatores de leito fixo durante as reações exotérmicas e endotérmicas.
ANTECEDENTES [003] Um processo Fischer Tropsch (FT), o qual é chamado algumas vezes de síntese FT é uma reação química usada para a produção de vários hidrocarbonetos a partir da entrada de gás de síntese, algumas vezes chamado de gás de
síntese. 0 mesmo é um processo de polimerização de carbono
catalisado em superfície que produz amplamente
hidrocarbonetos de cadeia linear que estão na faixa de
hidrocarbonetos de Cl a maiores que C100 que geralmente
seguem uma distribuição chamada de a distribuição de Anderson-Schulz-Flory (ASF). Manter a temperatura do leito de catalizador em uma temperatura uniforme por todo o diâmetro e o comprimento do reator é importante para a produção de produtos mais valiosos. Outras reações altamente exotérmicas pedem por uma transferência de calor eficiente a partir de um reator para manter reações
2/35 consistentes. De modo similar, reações altamente endotérmicas pedem por transferência de calor eficiente para dentro de um reator.
SUMÁRIO [004] Modalidades de um aparelho são descritas. Em uma modalidade, o aparelho inclui uma estrutura de transferência de calor configurada para ser disposta pelo menos parcialmente no interior de um reator de leito fixo. A estrutura de transferência de calor é operável para conduzir calor a partir de uma fonte de calor para um dissipador de calor. A estrutura de transferência de calor inclui uma pluralidade de aletas, em que cada uma inclui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo. A segunda extremidade é pelo menos parcialmente envolvida no interior do invólucro do reator de leito fixo. A trajetória de pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas inclui o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade e a segunda extremidade. Outras modalidades do aparelho também são descritas.
[005] Modalidades de um método também são descritas. Em uma modalidade, o método é um método para conduzir calor através de uma estrutura de transferência de calor de um reator de leito fixo. O método inclui gerar calor em uma cavidade próxima à estrutura de transferência de calor e conduzir calor através da estrutura de transferência de calor. A estrutura de transferência de calor inclui uma pluralidade de aletas em que cada uma inclui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira
3/35 extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo e em que a segunda extremidade está envolvida pelo menos parcialmente no interior do invólucro do reator de leito fixo. Pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas segue uma trajetória. A trajetória inclui o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade e a segunda extremidade. Outras modalidades do método também são descritas.
[006] Modalidades de um sistema também são descritas. Em uma modalidade, o sistema inclui um reator de leito fixo que envolve um material catalítico. O reator de leito fixo é configurado para receber uma corrente de alimentação, em que a corrente de alimentação reage com o material catalítico. O sistema também inclui uma estrutura de transferência de calor configurada para ser disposta pelo menos parcialmente no interior de um invólucro do reator de leito fixo e operável para transferir calor a partir de uma fonte de calor para um dissipador de calor. A estrutura de transferência de calor inclui uma pluralidade de aletas, em que cada uma inclui uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo e em que a segunda extremidade está pelo menos parcialmente envolvida no interior do invólucro do reator de leito fixo. Pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas segue uma trajetória. A trajetória inclui o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade e a segunda extremidade. Outras modalidades do sistema também são descritas.
[007] Outros aspectos e vantagens de modalidades da
4/35 presente invenção se tornarão evidentes a partir da descrição detalhada a seguir, tomada em conjunto com os desenhos anexos, ilustrados a titulo de exemplo dos princípios da invenção.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [008] A Figura 1 descreve um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema para a produção de produtos Fischer Tropsch.
[009] A Figura 2 descreve uma modalidade do reator de Fischer Tropsch (FT) da Figura 1.
[010] A Figura 3 descreve um recorte de um tubo reator de FT que ilustra uma estrutura de transferência de calor.
[011] A Figura 4 descreve um corte transversal de uma modalidade de uma estrutura de transferência de calor com componentes radiais que se estendem no interior do tubo reator de FT.
[012] A Figura 5 descreve um corte transversal de uma outra modalidade de uma estrutura de transferência de calor com componentes parabólicos.
[013] A Figura 6 descreve um corte transversal de uma outra modalidade de uma estrutura de transferência de calor.
[014] A Figura 7 descreve um mapa de perfil de temperatura para uma estrutura de transferência de calor exemplificativa.
[015] A Figura 8 descreve uma modalidade de um método de condução de calor em um reator de leito fixo.
[016] Ao longo de toda a descrição, números de referência similares podem ser usados para identificar elementos similares.
5/35
DESCRIÇÃO DETALHADA [017] Será prontamente compreendido que os componentes das modalidades conforme geralmente descritos no presente documento e ilustrados nas Figuras anexas poderiam ser organizados e projetados em uma ampla variedade de configurações diferentes. Desse modo, a descrição mais detalhada de várias modalidades a seguir, conforme representado nas Figuras, não é destinada a limitar o escopo da presente revelação, mas sim para ser meramente representativa de várias modalidades. Embora os vários aspectos das modalidades sejam apresentados em desenhos, os desenhos não são necessariamente desenhados em escala a menos que especificamente indicado.
[018] A presente invenção pode ser incorporada em outras formas especificas sem se afastar do espirito ou características essenciais da mesma. As modalidades descritas devem ser consideradas em todos os aspectos somente como ilustrativas e não como restritivas. O escopo da invenção é indicado, portanto, pelas reivindicações anexas e não por essa descrição detalhada. Todas as modificações que são abrangidas pelo significado e faixa de equivalência das reivindicações devem ser englobadas dentro do escopo das mesmas.
[019] Referências ao longo de todo este relatório descritivo a recursos, vantagens ou linguagem similar não implicam que todos os recursos e vantagens que podem ser realizados com a presente invenção devem estar ou estão em qualquer modalidade única da invenção. Em vez disso, compreende-se que a linguagem referente aos recursos e vantagens significa que um recurso, vantagem ou
6/35 característica específica descrita em combinação com uma modalidade está incluso em pelo menos uma modalidade da presente invenção. Desse modo, discussões dos recursos e vantagens, e linguagem similar, ao longo de todo este relatório descritivo, podem se referir, mas não necessariamente, à mesma modalidade.
[020] Além disso, os recursos, vantagens e características descritos da invenção podem ser combinados de qualquer maneira adequada em uma ou mais modalidades. Um indivíduo versado na técnica relevante perceberá, à luz da descrição no presente documento, que a invenção pode ser praticada sem um ou mais dos recursos ou vantagens específicos de uma modalidade em particular. Em outros casos, os recursos e vantagens adicionais podem ser reconhecidos em determinadas modalidades que podem não estar presentes em todas as modalidades da invenção.
[021] Referência ao longo de todo o relatório descritivo a uma(l) modalidade, uma modalidade ou qualquer linguagem similar, significa que um recurso, estrutura ou característica particular descrito em relação à modalidade indicada está incluso em pelo menos uma modalidade da presente invenção. Desse modo, as expressões em uma(l) modalidade, em uma modalidade e qualquer linguagem similar ao longo de todo o relatório descritivo podem se referir, porém não necessariamente, em sua totalidade à mesma modalidade.
[022] Embora muitas modalidades sejam descritas no presente documento, pelo menos algumas das modalidades descritas se referem à transferência de calor para dentro ou para fora de reatores de leito fixo. Geralmente, as
7/35 modalidades descritas abaixo são desenhadas para terem um controle de temperatura eficiente de reatores de FT. Algumas modalidades podem ser úteis para transferir de modo mais eficiente o calor a partir de reatores de leito fixo. Algumas modalidades permitem o uso de tubos contendo catalisador de diâmetro maior. Algumas modalidades permitem o uso de uma quantidade menor de tubos de reator por uma ordem de magnitude. Algumas modalidades reduzem o custo de fabricação e reduzem a complexidade mecânica de tubulações. Algumas modalidades reduzem o rendimento de hidrocarbonetos gasosos e produtos de valor mais baixo. Algumas modalidades aprimoram o gradiente de temperatura de tubos de reator de diâmetro mais amplo. Algumas modalidades reduzem a quantidade de peças a serem fabricadas.
[023] De acordo com os ensinamentos da presente revelação, desvantagens e problemas associados com processos de FT anteriores podem ser reduzidos ou eliminados. Em particular, os ensinamentos da presente revelação se referem a aparelho, métodos e sistemas para controlar calor no interior de um sistema de FT e outras reações altamente exotérmicas. Adicionalmente, os ensinamentos da presente revelação se referem a aparelho, métodos e sistemas para controlar calor no interior de reações altamente endotérmicas.
[024] Várias vantagens podem incluir um aumento na habilidade de controlar temperaturas no sistema de produção e no sistema de entrada, o que pode permitir um aumento na produção de produto de FT economicamente valioso. Outras vantagens técnicas serão prontamente aparentes para um indivíduo de habilidade comum na técnica a partir das
8/35
Figuras, descrições e reivindicações a seguir. Além disso, embora vantagens especificas tenham sido enumeradas acima, várias modalidades podem incluir todas, algumas ou nenhuma das vantagens enumeradas.
[025] A Figura 1 descreve um diagrama esquemático de uma modalidade de um sistema 100 para a produção de produtos Fischer Tropsch. Embora o sistema ilustrado 100 seja mostrado e descrito com determinados componentes e funcionalidade, outras modalidades do sistema 100 podem incluir uma quantidade menor ou maior de componentes para implantar menos ou mais funcionalidades. Embora o sistema ilustrado 100 descreva um sistema para a produção de produtos de FT, o aparelho, sistemas e métodos descritos no presente documento podem ser aplicados a outros processos exotérmicos tal como metanação, DME, sintese de metanol, etc., e processos endotérmicos tais como reforma de metano a vapor e de sulfurização etc., inclusive para outros processos de gás para liquido e outros processos de gás de sintese para hidrocarboneto liquido.
[026] O sistema ilustrado 100 inclui um reformador 102, componentes de pré-tratamento 104, um compressor de gás de sintese 106, um reator de FT 108, um tambor de agente refrigerante 110, trocadores de calor 112 e bombas 114. Embora não seja descrito, o sistema 100 pode incluir compressores a ar, condensadores, acumuladores, painéis elétricos, um gerador a vapor, resfriadores e uma variedade de outros componentes para facilitar o movimento das várias correntes de alimentação, saida e/ou reciclagem no interior do sistema e para facilitar o resfriamento.
[027] O sistema 100 pode ser usado para criar
9/35 hidrocarbonetos de FT a partir de várias correntes de alimentação. Em algumas modalidades, o sistema 100 inclui um reformador 102 para a produção de gás de sintese. Em uma modalidade, o sistema 100 pode ser usado para criar hidrocarbonetos de FT a partir de uma corrente de alimentação de gás natural. Os hidrocarbonetos de FT podem ser chamados de produtos de FT ou combustíveis de FT. Em algumas modalidades, uma corrente de alimentação pode incluir metano (CH4) , etano (C2H6) , propano (CgHg) , butano (C4H10) , misturas dos anteriores e/ou outros hidrocarbonetos ou compostos. O sistema 100 pode utilizar uma corrente de alimentação de gás úmido ou gás seco. Em várias modalidades, a corrente de alimentação pode ser a partir de um depósito de gás natural localizado no campo ou pode ser a partir de um fornecimento gerado, tal como uma corrente de gás natural gerada em uma refinaria. A corrente de alimentação de gás natural pode ser introduzida no reformador 102 para reforma.
[028] No sistema 100, o gás de sintese ou gás de sintese sai do reformador 102, percorre através do compressor de gás de sintese 10 6 e adentra o reator de FT 108. Em algumas modalidades, os resfriadores e similares podem ser alocados em locais apropriados entre o reformador
102 e 0 reator de FT 108 para remover água a partir da
corrente de gás de sintese produzida. 0 reator de FT 108
inclui um grupo de tubos de reator de FT. Mais ou menos
tubos de reator de FT podem ser usados dependendo de volume de produção ou capacidade de entrada desejados. Em algumas modalidades, o gás de sintese que contém N2 pode ser alimentado para dentro de um de mais tubos de reator de FT
10/35 em que cada um tem uma estrutura de transferência de calor. Em várias modalidades, o reator de FT 108 pode ter qualquer quantidade adequada de tubos de reator de FT e a quantidade de tubos de reator adequados pode corresponder à capacidade de produção desejada em geral.
[029] Em algumas modalidades, alguma forma ou formas de pré-tratamento podem ser aplicadas às correntes de alimentação por vários componentes de pré-tratamento 104. Por exemplo, correntes de alimentação particulares a partir de depósitos de gás natural podem conter vários compostos de enxofre, tal como sulfeto de hidrogênio (H2S) . De modo similar, determinadas municipalidades podem adicionar um odorizante, tal como mercaptano, o qual inclui enxofre, ao gás natural por razões de segurança. Uma corrente de alimentação que inclui enxofre pode ser tratada para remover ou reduzir determinados compostos de enxofre antes da entrada em um reformador 102 para a produção de gás de síntese. Mais tipicamente, o enxofre será removido após passar através do reformador 102. Nesse ponto o enxofre estará amplamente na forma de sulfeto de hidrogênio. Esse gás pode ser removido por uma quantidade de processos tais como reação com óxido de zinco, o processo de Claus, ou outros processos industriais comuns. Em determinadas modalidades, um reator de leito fixo pode ser usado para remover os compostos de enxofre. Por exemplo, um reator de leito fixo com uma estrutura interna de transferência de calor, descrito de modo mais completo abaixo, pode ser usado. A estrutura interna de transferência de calor pode auxiliar no controle de temperatura e, em modalidades particulares, pode permitir que a temperatura no interior
11/35 do reator de leito fixo seja elevada. Em várias modalidades, o reator de leito fixo também pode ser usado para reduzir ou remover uma variedade de outros compostos a partir da corrente de alimentação que pode ser indesejável para determinadas aplicações. Por exemplo, halogênios (por exemplo, cloro, bromo, etc.) podem ser indesejáveis. A redução de enxofre ou outros compostos pode ocorrer através do direcionamento de uma corrente de alimentação através de um reator de leito fixo, similar ao reator descrito de modo mais completo abaixo.
[030] Em algumas modalidades, uma corrente de entrada adentra o reator de FT 108. Como exemplos, um reator de FT pode ser implantado como um recipiente de pressão grande que envolve uma ampla quantidade de pequenos tubos que contêm o catalisador de FT (um reator de leito fixo) ou um recipiente de pressão amplo que contém uma mistura de pasta fluida de catalisador e liquido (um reator de coluna de bolha de pasta fluida). Embora sejam dispendiosos para serem fabricados, ambos os projetos são usados devido à necessidade de se extrair o calor a partir da reação de FT exotérmica. A falha em manter o catalisador na temperatura desejada resulta na formação de grande parte dos hidrocarbonetos do produto na curta faixa de cadeia de hidrocarboneto. Tipicamente, os tubos pequenos em um FT têm menos que 2,54 cm (1 polegada) em diâmetro. A habilidade de manter uma temperatura uniforme no leito de catalizador de um reator de FT de leito fixo é importante caso os produtos desejados sejam hidrocarbonetos na faixa liquida. À medida que o raio dos tubos de reator de FT em leito fixo se torna maior, torna-se dificil de transferir o calor para a parede
12/35 dos tubos de reator. À medida que o calor aumenta nos tubos de reator, o rendimento de porcentagem de hidrocarbonetos líquidos diminui e o rendimento de hidrocarbonetos gasosos aumenta. 0 objetivo de modalidades é elevar a transferência de calor a partir da área em corte transversal dos tubos de reator e manter uma temperatura de leito que fornecerá rendimentos altos na faixa líquida. A transferência eficiente de calor também permitirá o uso de tubos de reator de diâmetro maior e, desse modo, reduzirá os custos de fabricação associados ao reator de FT. Os reatores de FT de leito fixo atuais estão limitados ao uso de catalisador que contém tubos que têm cerca de 2,54 cm (1 polegada) de diâmetro. Algumas modalidades permitem o uso de tubos que têm 10,16 cm (4 polegadas) ou maiores em diâmetro devido à transferência de calor aprimorada.
[031] Pelo menos uma modalidade de um elemento de inserção foi projetada para transferir calor a partir do leito de catalizador fixo para as paredes do reator de FT para remoção. Esse elemento de inserção foi submetido a um teste limitado e demonstra um bom desempenho em manter um bom controle de temperatura radial e axial no reator do tamanho de 3,81 cm (1,5 polegadas) de diâmetro. Uma versão levemente diferente do projeto foi proposta para o reator de diâmetro de 10,16 cm (4 polegadas).
[032] Uma análise termo-hidráulica de modalidades
permite o uso de tubos de diâmetro de 10,16 cm (4
polegadas) para o reator de FT, enquanto ainda mantém
gradientes de temperatura axial e radial em um nível
aceitável. Algumas modalidades têm a vantagem adicional de que as mesmas podem ser extrusadas como uma peça única e
13/35 fornecem transferência de calor externa aprimorada a partir do tubo de reator para o fluido de resfriamento que circunda o tubo no lado de fora. Em algumas modalidades, o tubo de reator em sua totalidade, descrito de modo mais completo abaixo, poderia ser alocado no interior de um outro tubo que formaria o contorno de pressão para o reator. 0 tubo externo seria resfriado adicionalmente pelo fluido no lado externo do mesmo.
[033] Em algumas modalidades, o sistema 100 inclui um tambor de agente refrigerante 110, trocadores de calor 112 e bombas 114. Durante a produção de hidrocarbonetos de FT, o sistema 100 pode ciclizar o agente refrigerante a partir do tambor de agente refrigerante 110 através do reator de FT 108 e em torno dos tubos de reator de FT. Os trocadores de calor 112 facilitam o resfriamento e as bombas 114 facilitam o movimento de várias correntes no interior do sistema 100.
[034] Em algumas modalidades, o reator de FT 108 inclui um reator de leito fixo que envolve um material catalítico de FT e que é operável para receber um gás de sintese, em que o gás de sintese reage no material catalisador para produzir um produto de FT. Em algumas modalidades, o reator de FT 108 também inclui uma estrutura de transferência de calor configurada para ser disposta pelo menos parcialmente no interior do reator de leito fixo, a estrutura de transferência de calor forma uma pluralidade de componentes radiais que é configurada de modo que cada um dentre a pluralidade de componentes radiais entre em contato com uma superfície interna do reator de leito fixo, em que a pluralidade de componentes radiais é pelo menos
14/35 parcialmente envolvida no interior do reator de leito fixo, e um primeiro componente radial da pluralidade de componentes radiais tem um comprimento ou área em corte transversal diferente de um segundo componente radial da pluralidade de componentes radiais, e uma estrutura de resfriamento que circunda pelo menos parcialmente o leito de reator fixo e que é operável para conduzir calor para longe da estrutura de transferência de calor do reator de leito fixo.
[035] A Figura 2 descreve uma modalidade do reator de FT 108 da Figura 1 para a produção de produtos Fischer Tropsch. A modalidade representada ilustra uma vista em perspectiva de um reator de FT 108 que inclui um grupo de tubos de reator de FT 202. Cada tubo reator de FT 202 tem uma tampa 204 que permite que o tubo de reator 202 receba gás sintético pressurizado. Os tubos de reator de FT 202 são envolvidos no interior de uma carcaça externa 206 e percorrem a partir de uma primeira extremidade 208 para uma segunda extremidade 210 do reator de FT. Um único tubo reator de FT 202 é mostrado do lado de fora da carcaça externa 206 com o orifício 212 mostrado na primeira extremidade 208. Entradas e saídas (não mostrado) permitem que o agente refrigerante entre e saia do reator de FT 108. Cada tubo reator de FT 202 inclui uma estrutura de transferência de calor operável para conduzir calor a partir de cada tubo de reator 202. Modalidades da estrutura de transferência de calor são discutidas de uma forma mais completa abaixo em relação às Figuras remanescentes.
[036] A Figura 3 descreve uma vista em corte de um tubo reator de FT 202 que ilustra uma estrutura de transferência
15/35 de calor 302 no interior do invólucro. Na modalidade ilustrada, a estrutura de transferência de calor 302 é uma estrutura inserida em um invólucro ou tubo 304. A estrutura de transferência de calor 302 transfere calor a partir do interior do invólucro 304 para fora. Em algumas modalidades, o invólucro pode significar o invólucro total ou completo ou também pode incluir espaços parcialmente envolvidos. A corte transversal de um invólucro 304 pode ser em formato de C ou pode ter vãos. Em algumas modalidades, o invólucro pode ser perfurado, ou em rede, ou qualquer uma dentre várias estruturas que podem ser usadas para definir, de um modo geral, um espaço no qual o mesmo pode ser importante para a remoção de calor. De modo alternativo, em algumas modalidades isso pode ser importante para inserir calor no invólucro 304. Em algumas modalidades, o invólucro 304 pode ser definido geralmente por uma parede que pode envolver parcialmente ou plenamente um espaço no interior do invólucro 304. Na modalidade ilustrada, o corte transversal do invólucro 304 é circular, porém pode ter qualquer um dentre vários formatos. A estrutura de transferência de calor 302 pode ser posicionada no interior do invólucro e transfere calor a partir do interior do invólucro para a parede do invólucro. Em algumas modalidades, a estrutura de transferência de calor 302 é presa à parede do invólucro 304. Em algumas modalidades, a estrutura de transferência de calor 302 é integral com o invólucro 304. Várias modalidades de estruturas de transferência de calor são representadas nas Figuras 4, 5 e 6. Em algumas modalidades, uma estrutura de transferência de calor pode incluir múltiplas aletas. Em
16/35 algumas modalidades, as aletas podem ser presas entre si ou integralmente formadas como um corpo. A preensão de aletas entre si, ou a preensão da estrutura de transferência de calor ao invólucro pode ser feita em qualquer quantidade de modos, inclusive, sem limitação, um ou mais dentre o seguinte: colagem, brasagem, ligação química ou não química, soldagem e outros métodos de preensão. A Figura 3 também descreve uma fonte de calor 306 usada para reações endotérmicas.
[037] Em algumas modalidades, a estrutura de transferência de calor inclui aletas ou blocos ou superfícies que são feitas a partir de um material ou materiais que têm capacidade para coletar ou absorver calor e transferir calor. Em algumas modalidades, a estrutura de transferência de calor pode incluir um ou mais dentre os seguintes materiais: alumínio, aço, cobre, latão, ouro, prata, ligas dúcteis, cerâmicas, metalurgia em pó e outros metais ou cerâmicas preciosos ou não preciosos, e outros materiais que têm capacidade para transferir calor. Em algumas modalidades, as aletas se estendem para fora a partir de um ponto no interior do invólucro. Em algumas modalidades, as aletas se estendem até a parede do invólucro. Em algumas modalidades, as aletas se estendem para além da parede. Em algumas modalidades, algumas aletas se estendem até uma superfície interna do invólucro e outras aletas podem se iniciar na superfície externa do invólucro e se estender para fora. Será compreendido que em algumas aplicações com aletas externas em relação ao invólucro permite-se que a temperatura da superfície externa do invólucro tenha uma compatibilidade mais próxima
17/35 à temperatura do meio ou do agente refrigerante do lado de fora e adjacente à parede externa, caso o meio seja líquido, gasoso, sólido, em gel ou outros meios ou combinação de meios.
[038] Em algumas modalidades, uma ou mais aletas são presas entre si em um ponto interno no interior do invólucro. Em algumas modalidades, as aletas não são presas entre si no interior do invólucro. Em algumas modalidades, as aletas podem ou não compartilhar um ponto interno mais distante no interior do invólucro. Em algumas modalidades, pelo menos uma das aletas é configurada de modo que o comprimento entre um ponto mais interno da aleta até a parede do invólucro seja o comprimento mais curto possível. Em outras palavras, ao visualizar o corte transversal da estrutura de transferência de calor há pelo menos uma aleta em que o calor percorre a distância mais curta a partir de um ponto interno até a parede do invólucro. Para um corte transversal circular, o comprimento mais curto até uma parede do invólucro é uma aleta radial. Para outros formatos, a distância mais curta é aquela em que a aleta está ortogonal à superfície do invólucro. Em algumas modalidades, a uma(l) aleta pode fazer intersecção com uma outra aleta ou uma aleta secundária pode ramificar uma aleta principal. Em algumas modalidades, não há ramificação ou interseções ao longo de um corte transversal da estrutura de transferência de calor entre um ponto mais interno das aletas e a parede do invólucro. Será compreendido que essa configuração pode ser alcançada mesmo quando duas ou mais aletas dividem o mesmo ponto mais interno, como em uma configuração de roda de vagão. Em
18/35 algumas modalidades, as aletas se estendem em distâncias variadas a partir do interior do invólucro. Em algumas modalidades, a estrutura de transferência de calor pode ser configurada para minimizar o comprimento de uma trajetória de condução de calor a partir de um ponto mais interno da aleta até a parede do invólucro.
[039] Em algumas modalidades, cada tubo reator de FT 202 pode ser um reator de leito fixo que inclui um material catalítico. Os catalizadores podem incluir cobalto, ferro, rutênio, niquel, ródio, paládio, ósmio, iridio, platina, outros metais de transição, misturas desses elementos, ligas e/ou outros materiais adequados. Em algumas modalidades, o tubo reator de FT 202 pode incluir mais de um catalisador, por exemplo, cobalto promovido com rutênio ou cobre e ferro promovidos com potássio. O catalisador pode estar presente no interior de tubos de reator de FT 202 em péletes, substrato microfibroso e/ou outros materiais adequados. Conforme é conhecido na técnica, quando o gás de síntese passa através de tubos de reator de FT 202 em determinadas temperaturas e pressões, CO e H2 podem interagir com os catalizadores para criar uma variedade de hidrocarbonetos de FT e água, inclusive, por exemplo, alcanos e alcenos de cadeia linear com o número de átomos de carbono na faixa de Cl a C100. Em determinadas modalidades, os hidrocarbonetos de FT na fase líquida podem ser os produtos de FT mais desejados visto que os mesmos podem ser os mais valiosos economicamente. Tipicamente, a reação prossegue de acordo com a fórmula a seguir: (2n+l) H2 + n CO Cn H(2n+2)+ n H2O, em que n é um número inteiro. Consequentemente, à medida que o gás de síntese é
19/35 convertido em hidrocarbonetos de FT, produz-se água.
[040] Em algumas modalidades, um material inerte de estrutura de transferência de calor pode ser misturado com o catalisador no material catalítico de FT para aprimorar a transferência de calor no reator de FT, em modalidades particulares. Esse material inerte pode ser um material de transferência de calor altamente condutor, por exemplo, um metal ou uma cerâmica, em modalidades particulares. Uma reação ocorre em tubos de reator de FT 202 e parte ou todo o gás de síntese que adentra pode interagir com o catalisador para criar hidrocarbonetos de FT e/ou outros compostos. Os hidrocarbonetos de FT, o gás de síntese não convertido e a água gerados durante a reação saem dos tubos de reator de FT no fundo do reator de FT 108. Em modalidades particulares, esse processo ocorre a temperaturas na faixa de 200 °C a 300 °C e em pressões na faixa de 1.034,21 kPa a 3.102,64 kPa (150 psig a 450 psig). Adicionalmente, a conversão de gás de síntese em hidrocarbonetos de FT é altamente exotérmica; o calor de reação é aproximadamente 165 quilojoules por mol de CO reagido. Caso o calor gerado durante a produção de hidrocarbonetos de FT não seja removido à medida que a reação prossegue, as temperaturas no interior do tubo reator de FT podem aumentar e os produtos resultantes podem ser hidrocarbonetos em fase gasosa em vez de hidrocarbonetos de FT em fase líquida mais valiosos economicamente.
[041] A otimização da conversão de gás de síntese em hidrocarbonetos de FT é uma meta primária durante a operação do reator de FT 108. O controle da temperatura no
20/35 interior do reator de FT 108 e, em particular, no interior de cada tubo reator de FT 202, pode ajudar a otimizar a conversão. A reação é altamente exotérmica e como um resultado, a temperatura no interior dos tubos de reator de FT 202 aumenta significativamente. Para maximizar o gás de sintese para conversão de hidrocarboneto de FT liquido e para ajudar a impedir fuga térmica, o controle de temperatura com os tubos de reator de FT 202 é desejado. Nos reatores de FT em que as temperaturas de operação não são controladas suficientemente, o gradiente de temperatura no interior de um tubo de reator de FT pode variar significativamente e pode resultar em uma distribuição indesejada de produtos de hidrocarboneto. Sob condições particulares, a temperatura pode aumentar e pode resultar em uma quantidade mais alta que a desejada de fase de vapor e hidrocarbonetos de FT de baixo número de carbonos. Geralmente, os hidrocarbonetos de FT de fase liquida são mais desejáveis devido ao valor econômico dos mesmos. Os hidrocarbonetos de FT são produzidos geralmente de acordo com a distribuição de Anderson-Shultz-Flory (ASF) que fornece a probabilidade de cadeia crescida como uma função de temperatura. A distribuição de ASF pode ser expressa como Wn = n(l - a)2 an-1, em que Wn é a fração de peso de moléculas de hidrocarboneto que contêm n átomos de carbono, e α é o fator de probabilidade de crescimento de cadeia, que depende de catalisador e temperatura. O fator de probabilidade de crescimento de cadeia de ASF, a, diminui em aproximadamente 0,004 por aumento de grau (°C) em temperatura de catalisador caso outras condições de reação tal como pressões e pressões parciais permaneçam as mesmas.
21/35
Como resultado, uma variação de 15 °C em temperatura no interior de um reator de FT resultaria em um deslocamento de 0,06 no valor a. Em determinadas modalidades, o valor ideal de α para um hidrocarboneto de FT líquido pode ser de aproximadamente 0,85. Um deslocamento para cima de 0,06 resultaria em um valor de α de 0,91, que pode estar correlacionado à produção de uma quantidade indesejável de cera. Um deslocamento para baixo de 0,06 resultaria em um valor de α de 0,79, que pode estar correlacionado à produção de uma quantidade indesejável de produtos em fase gasosa. Desse modo, manter o tubo reator de FT em uma temperatura ou faixa de temperatura particular é importante para evitar produtos em fase de vapor associados a temperaturas de leito mais altas. Adicionalmente, temperaturas mais baixas tendem a favorecer a produção de ceras, o que apresenta desafios de transporte e usabilidade, porém pode ser uma boa matéria prima de refinaria para a produção de lubrificantes. Entretanto, a estrutura de transferência de calor 302 desloca o volume preenchido, de outro modo, com um catalisador que diminui a quantidade de reação. A otimização da estrutura de transferência de calor 302 exige a transferência do calor de forma eficiente enquanto utiliza a menor quantidade de volume.
[042] As estruturas de transferência de calor 302 podem fornecer um meio para controlar e reduzir a temperatura no interior de tubos de reator de FT. A estrutura de transferência de calor 302 percorre longitudinalmente a partir do topo para o fundo dos tubos de reator de FT 202. Em várias modalidades, várias porções de estruturas de
22/35 transferência de calor 302 se estendem radialmente a partir do interior de tubos de reator de FT 202. O material catalítico e o meio de transferência de calor inerte são embalados no interior de cada tubo reator de FT 202 em torno da estrutura de transferência de calor 302. À medida que o gás de síntese passa através dos tubos de reator de FT 202 e entra em contato com o material catalítico, a reação de FT ocorre e gera calor ao longo de tubos de reator de FT 202. As estruturas de transferência de calor 302 podem ser construídas a partir de um metal condutor e podem estar aptas para conduzir parte do calor gerado no interior dos tubos de reator de FT 202 para as paredes do invólucro 304. Em determinadas modalidades, a estrutura de transferência de calor pode ser construída de prata, cobre, ouro, alumínio, zinco, níquel, latão, bronze, ferro, platina, aço carbonizado, chumbo, aço inoxidável ou qualquer metal condutor, liga ou outro material. Em várias modalidades, as estruturas de transferência de calor 302 podem estar presentes em alguns ou todos os tubos de reator de FT 202 no interior de um reator de FT 108. Várias estruturas, não mostradas, podem permitir que o agente refrigerante de uma fonte de agente refrigerante flua para o lado de fora do invólucro 304. Em modalidades particulares, o agente refrigerante pode ser água, Dowtherm® (um produto da Dow Chemical Company) , Therminol® (um produto da Monsanto Chemical Company) ou outro agente refrigerante. O agente refrigerante pode ser tanto termicamente estável na temperatura de operação de reator, como ter uma curva de pressão de vapor de modo que a pressão de vapor na temperatura de operação de reator
23/35 esteja acima do ponto de ebulição normal (em pressão atmosférica local) e abaixo da pressão de trabalho máxima permitida do reator (MAWP). Em várias modalidades, um sistema de resfriamento secundário também pode ser utilizado.
[043] Através do uso de estruturas de transferência de calor 302 para transferir calor a partir do interior de tubos de reator de FT 202 para a superfície exterior dos tubos de reator de FT 202, a temperatura no interior do tubo reator de FT 202 pode ser mais bem controlada e menos variável. Isso pode promover uma produção de hidrocarbonetos de FT mais uniforme e/ou mais direcionada e pode permitir que a produção de hidrocarbonetos mais desejados ou mais valiosos. Vantagens técnicas do uso da estrutura de transferência de calor 302 podem incluir um controle aprimorado de temperatura. As vantagens também podem incluir reduções em gradientes de temperatura e/ou na temperatura em geral no interior de tubos de reator de FT. Essa habilidade de aprimorar o controle e/ou a redução da temperatura pode permitir o uso de tubos de reator de FT com um diâmetro elevado. Em reatores de FT convencionais, os tubos de reator de FT podem medir aproximadamente 1,59 cm (5/8 polegada) em diâmetro, e, mais frequentemente, não mais que 2,54 cm (1 polegada). Em tubos de reator de FT com estruturas de transferência de calor, os diâmetros podem ser expandidos para 5,08 cm (2 polegadas), 7,62 cm (3 polegadas), 10,16 cm (4 polegadas), 12,7 cm (5 polegadas), 15,24 cm (6 polegadas), 17,78 cm (7 polegadas) ou maior. Frequentemente, à medida que a quantidade de tubos de reator de FT no interior de um reator de FT aumenta, o
24/35 custo aumenta. Por exemplo, o aumento da quantidade de tubos de reator de FT pode necessitar da adição de uma redoma de pressão sobre a tubulação de alimentação. Portanto, a expansão do diâmetro dos tubos pode permitir um aumento em produção sem o aumento em custos frequentemente associado a um maior número de tubos de reator de FT, inclusive, por exemplo, nos custos de fabricação, operação e manutenção. A estrutura de transferência de calor 302, conforme descrita acima, pode ser usada durante a produção de hidrocarbonetos de FT. Adicional ou alternativamente, a estrutura de transferência de calor 302 pode ser usada em outro processo de produção para alcançar um aprimoramento de processos. Por exemplo, a estrutura de transferência de calor 302 poderia ser usada para processos endotérmicos tal como a reforma de metano a vapor (SMR) e a reforma de metano catalítico.
[044] O elemento de aquecimento 306 pode ser uma banda de aquecimento ou qualquer dispositivo adequado para aquecer o exterior do tubo de reator 202, tais como, a título de exemplo não limitador, aquecedores não elétricos, aquecedores por radiação, aquecedores de convecção e similares. Determinadas modalidades podem empregar mais de um elemento de aquecimento 30 6. Por exemplo, pode haver múltiplas bandas de aquecimento posicionadas em torno do tubo de reator 202 ao longo do comprimento do invólucro. À medida que a reação de FT é exotérmica, o elemento de aquecimento 306 pode não estar presente em um reator de FT, em modalidades particulares. O elemento de aquecimento 306 pode ser usado para reações endotérmicas em que a adição de calor é necessária, tal como SMR e reforma de metano
25/35 catalítico. 0 elemento de aquecimento 306 pode ser acoplado a uma unidade de controle, que pode controlar o elemento de aquecimento 306. A unidade de controle também pode ser acoplada a um dispositivo de retroalimentação, tal como um termopar no interior do tubo de reator 202, que pode permitir que a unidade de controle monitore e/ou modifique de forma mais eficiente a temperatura no interior de um reator de leito fixo através do elemento de aquecimento 306. Em várias modalidades, o elemento de aquecimento 306 pode ser usado para aprimorar a redução de enxofre fornecendo-se calor para o elemento de transferência de calor 302 para condução para o tubo de reator 202. A estrutura de transferência de calor 302 também pode ser usada para aprimorar outras reações, tal como SMR e reforma de metano catalítico de um modo similar àquele descrito em relação à remoção de enxofre acima. No caso de SMR e reforma de metano catalítico, a estrutura de transferência de calor 302 pode ser carregada com um catalisador de níquel em modalidades particulares. Em várias modalidades, o elemento de aquecimento 302 pode ser ativado para gerar calor suficiente para elevar a temperatura interna de um reator de leito fixo para aproximadamente 300 °C ou próximo à mesma (embora qualquer temperatura apropriada possa ser usada). Por exemplo, em uma reação de reforma de metano, as temperaturas poderiam ser tão altas quanto 900 °C.
[045] A estrutura de transferência de calor 302 pode ser removida do tubo de reator 202 e/ou substituída. Em modalidades particulares, uma estrutura de transferência de calor 302 particular pode ser usada em um tubo de reator para o tratamento de uma corrente de alimentação e pode ser
26/35 usada, subsequentemente, em um tubo de reator em um reator de FT, ou vice-versa. Em algumas modalidades, a estrutura de transferência de calor 302 pode ser integral com o invólucro 304.
[046] A Figura 4 descreve um corte transversal de uma modalidade de uma estrutura de transferência de calor 400 com componentes radiais ou aletas 402 a 406 que se estendem no interior do tubo reator de FT. Na modalidade representada, as aletas 402 a 406 são integrais com o invólucro 408. Adicionalmente, a modalidade representada ilustra aletas externas 410 que são externas em relação ao invólucro 408. Em algumas modalidades, as aletas 402 a 406 incluem uma primeira extremidade em contato com uma superfície interna do invólucro 408 e uma segunda extremidade no interior do invólucro. Na modalidade representada, o invólucro 408 é circular e as aletas 402 a 406 se estendem radialmente em uma direção ortogonal até a superfície do invólucro 408. Em algumas modalidades, o invólucro 408 pode incluir qualquer quantidade de formatos ou combinações dos mesmos. Em tais modalidades, as aletas 402 a 406 podem seguir uma trajetória que inclui o comprimento mais curto possível entre as duas extremidades das aletas 402 a 406. Conforme representado, as aletas 402, 404 e 406 podem se estender por distâncias variadas no interior do invólucro 408. Em determinadas modalidades, pode haver mais ou menos aletas primárias ou secundárias 402 a 406. Em várias modalidades, a quantidade de aletas primárias e/ou secundárias pode depender do diâmetro do tubo reator de FT integral. As aletas externas 410 se estendem para fora a partir do invólucro 408. Em algumas
27/35 modalidades, as aletas externas 410 podem ser integrais com o invólucro 408. Em algumas modalidades, as aletas externas 410 podem ser separadas do invólucro 408. As aletas externas 410 podem entrar em contato com o agente refrigerante e auxiliar na remoção de calor. A quantidade de aletas externas 410 pode corresponder à quantidade de aletas 402 a 40 6 no interior do invólucro e/ou pode se alinhar às aletas 402 a 406. Em algumas modalidades, há mais aletas externas 410 que aletas 402 a 406. Em algumas modalidades, há menos aletas externas 410 que aletas 402 a 406.
[047] Em algumas modalidades, as aletas 402 a 406 têm larguras de corte transversal variáveis. Em outras palavras, a largura em corte transversal em uma primeira extremidade (a extremidade em contato com o invólucro ou base) pode ser mais ampla ou menor que a largura em corte transversal de uma segunda extremidade (a ponta no interior do invólucro). As aletas podem afunilar em uma ou ambas as direções. As larguras e cortes transversais variáveis são importantes para transferir o calor para o lado de fora do invólucro 408. À medida que o calor percorre para baixo das aletas 402 a 406 para o lado de fora do invólucro, o fluxo de calor pode se elevar e, desse modo, necessitar de um corte transversal elevado na base das aletas 402 a 406. Entretanto, em contrapartida, o corte transversal na ponta das aletas pode ser maior que o corte transversal na base das aletas, o que aumenta a área de superfície das pontas no interior do invólucro. Embora uma temperatura uniforme possa ser desejada, a temperatura no centro irá, tipicamente, ser maior e reduzirá à medida que ocorre uma
28/35 aproximação das paredes do invólucro.
[048] A Figura 5 descreve um corte transversal de uma outra modalidade de uma estrutura de transferência de calor 500 com componentes parabólicos. A estrutura de transferência de calor 500 é configurada para caber no interior de um tubo reator de FT 202. A estrutura de transferência de calor 500 inclui as aletas 502, as aletas parabólicas 504, os pés 506 e a porção central 508.
[049] Conforme ilustrado, seis aletas 502 se estendem a partir da porção central 508 em uma direção radial. Visto que a estrutura de transferência de calor 500 é configurada para caber no interior de um tubo reator de FT 202, as aletas 502 que se estendem a partir da porção central 508 se estendem em direção à parede interior do invólucro de um tubo reator de FT. Deve-se notar que embora uma quantidade particular de aletas seja mostrada, qualquer quantidade apropriada pode ser usada. Duas aletas parabólicas 504 podem se estender radialmente a partir de cada aleta 502 em direção à parede interior do tubo reator de FT no qual a estrutura de transferência de calor é inserida. As aletas parabólicas 504 podem ter um formato parabólico, ramificado linear, elíptico, hiperbólico e outros que sejam adequados, em modalidades particulares. Visto que as duas aletas parabólicas 504 se estendem radialmente a partir de lados opostos de aletas 502 e se estendem a partir de aproximadamente o mesmo ponto ao longo de aletas 502, as duas aletas parabólicas 504 podem formar, juntas, um formato parabólico. Uma vantagem desse modelo pode incluir o aumento da quantidade de projeções que se estendem radialmente no interior de um tubo reator de FT em direção
29/35 à parede interior do mesmo, sem amontoar excessivamente o centro do reator. Além disso, essa configuração pode ser relativamente fácil de fabricar. Em várias modalidades, somente uma aleta parabólica 504 pode se estender a partir de cada aleta 502. Em determinadas modalidades, as aletas parabólicas 504 podem se estender a partir de cada aleta em qualquer ponto ao longo da aleta 502 e múltiplas aletas podem se estender a partir de aletas 502 em pontos diferentes. Em modalidades particulares, mais que duas aletas parabólicas 504 podem se estender a partir de cada aleta 502. Por exemplo, dois formatos parabólicos ou quatro aletas parabólicas 504 podem existir sobre uma aleta radial 502. Em determinadas modalidades, determinadas aletas 502 podem incluir uma ou mais aletas parabólicas 504 enquanto outras aletas 502 não incluem quaisquer aletas parabólicas 504 .
[050] Em algumas modalidades, cada aleta 502 e aleta parabólica 504 inclui um pé 506. Cada pé 506 é geralmente perpendicular à aleta ou aleta parabólica do mesmo e faz contato com ou fica contíguo à parede interior do invólucro (não mostrado) de um reator de leito fixo. Os pés 506 aumentam a área de contato entre a estrutura de transferência de calor 500 e a superfície interna do invólucro de um reator de leito fixo, o que pode elevar a eficiência de condução de calor. A estrutura de transferência de calor 500 pode ser dimensionada para ser inserida em um tubo reator de FT (ou outro reator de leito fixo) . Em determinadas modalidades, a abertura no centro 508 pode acomodar um termopar, que pode ser usado para medir a temperatura em vários locais ao longo do
30/35 comprimento de estrutura de transferência de calor 500.
[051] Em várias modalidades, as dimensões de aletas 502, aletas parabólicas 504, pés 506 e centro 508 podem ser de qualquer dimensão apropriada. Em várias modalidades, os pés 50 6 podem ser de tamanhos variáveis. Uma vez que a estrutura de transferência de calor 500 seja alocada no interior de um tubo reator de FT (ou outro reator de leito fixo), o material catalítico pode ser embalado em torno do mesmo.
[052] A Figura 6 descreve um corte transversal de uma outra modalidade de uma estrutura de transferência de calor 600. A estrutura de transferência de calor 600 inclui aletas primárias 602, aletas radiais secundárias 604, extrusões 606, centro 608, aletas terciárias 610 e um invólucro 612.
[053] Diferentemente da estrutura de transferência de calor 500, que pode ser fabricada e então inserida em um tubo reator de FT, as porções condutoras de calor de estrutura de transferência de calor 600 podem ser contérminas ou integrais com o invólucro 612 de um reator de leito fixo. Seis aletas radiais 602 se estendem a partir da porção central 608 em uma direção radial até a parede interior do invólucro 612. Doze aletas radiais secundárias 604 se estendem a partir do interior do tubo de reator. Duas aletas radiais secundárias 604 se estendem na câmara criada por aletas radiais primárias 602 adjacentes. Esse modelo pode ser vantajoso devido ao fato de o mesmo aumentar a quantidade de aletas que se estendem radialmente no interior de um tubo reator de FT até a parede interior do mesmo sem amontoar excessivamente o centro do reator. Em
31/35 determinadas modalidades, pode haver mais ou menos aletas radiais primárias ou secundárias 602. Em várias modalidades, a quantidade de aletas radiais primárias e/ou secundárias pode depender do diâmetro do tubo reator de FT integral. Conforme ilustrado, cada aleta radial primária 602 e cada aleta radial secundária 604 têm uma extrusão ou aleta externa 60 6 correspondente que se estende além do exterior do invólucro 612. As aletas terciárias 610 se estendem a partir de aletas radiais primárias 602 e se estendem geralmente perpendicularmente para dentro de cavidades no interior do reator de leito fixo. Em várias modalidades, a quantidade de aletas terciárias 610 pode ser aumentada ou diminuída. Em modalidades particulares, as aletas terciárias 610 também podem se estender geralmente perpendicularmente a partir de uma ou mais aletas radiais secundárias 604. Em determinadas modalidades, o centro 608 pode acomodar um termopar, que pode ser usado para medir a temperatura em vários locais ao longo do comprimento de estrutura de transferência de calor 500. A abertura em centro 608 pode ser usada para posicionar o termopar. A estrutura de transferência de calor 700 pode ter dimensões similares ou diferentes àquelas das estruturas de transferência de calor 400 e 500.
[054] As estruturas de transferência de calor ilustradas nas Figuras 4 a 6, podem permitir o uso de tubos de diâmetro elevado em comparação com o que seria possível sem as estruturas de transferência de calor, permitindo-se a transferência de calor elevada para dentro ou para fora dos tubos de reator. Permitindo-se o uso de um diâmetro de tubo elevado as estruturas de transferência de calor
32/35 permitem que uma quantidade menor de tubos seja usada em um reator para uma dada taxa de fluxo. Ter uma quantidade menor de tubos reduz a despesa de capital de um reator, assim como a despesa operacional à medida que uma quantidade menor de tubos necessita ser substituída quando uma troca de catalisador é necessária.
[055] A Figura 7 ilustra um perfil de temperatura radial de uma estrutura de transferência de calor exemplificativa. O gráfico 700 plota o local ao longo do raio de reator em milímetros em comparação à temperatura de leito. Os pontos de dados 710 incluem a modelagem de dados da temperatura de um reator em leito embalado que inclui uma estrutura de transferência de calor similar à estrutura de transferência de calor 500 discutida em combinação com a Figura 5. Os pontos de dados 720 incluem a modelagem de dados da temperatura de um reator em leito embalado que não inclui uma estrutura de transferência de calor. Os parâmetros de linha de base para ambos os conjuntos de dados foram os mesmos: supor um cano de programação 40 de 7,62 cm (3 polegadas) com 30 gramas de catalisador de cobalto-rutênio por litro, 5 gramas de carbono por grama de cobalto-rutênio por hora, 570 kW por metro cúbico e uma parede de tubo de reator a uma temperatura de 210 °C. O uso de uma estrutura de transferência de calor fornece uma redução notável em temperatura, especialmente à medida que a localização radial do reator diminui. Esse nivelamento do perfil de temperatura para um tubo reator de FT que inclui uma estrutura de transferência de calor demonstra a habilidade de controlar temperaturas no interior de um reator de FT. Controlar e/ou manter temperaturas pode
33/35 permitir a produção elevada de hidrocarbonetos de FT de valor alto, tais como alcenos e alcenos de cadeia linear líquidos.
[05 6] A Figura 8 descreve uma modalidade de um método de condução de calor em um reator de leito fixo. Embora acima o método seja descrito em combinação com as Figuras, o método pode ser efetuado através de modalidades alternativas. No bloco 802, o calor é gerado próximo a uma estrutura de transferência de calor 302 no interior de um reator de leito fixo. Em algumas modalidades, o calor é gerado no interior de um invólucro 304 de um reator de leito fixo. Em algumas modalidades, o calor é gerado do lado de fora do invólucro 304 de um reator de leito fixo. No bloco 804, o calor é conduzido através da estrutura de transferência de calor ao longo de uma pluralidade de aletas. Em algumas modalidades, o calor é conduzido a partir do espaço no interior do invólucro 304 para o lado de fora do invólucro 304. Em algumas modalidades, o calor é conduzido a partir do lado de fora do invólucro 304 para o espaço no interior do invólucro 304. A estrutura de transferência de calor pode ser consistente com as modalidades descritas acima. Em algumas modalidades, o método 800 inclui adicionalmente a condução de calor através do invólucro 304 para um meio de agente refrigerante que circunda pelo menos parcialmente uma superfície externa do invólucro de um reator de leito fixo.
[057] Em algumas modalidades, a diferença de temperatura entre quaisquer dois pontos da estrutura de transferência de calor está entre 0% e 25% de uma diferença de temperatura média no interior do invólucro 304 do reator
34/35 de leito fixo. Em algumas modalidades, a diferença de temperatura entre quaisquer dois pontos da estrutura de transferência de calor está entre 0 por cento e 25 por cento de uma temperatura de reação alvo no interior do invólucro do reator de leito fixo. Em várias modalidades, o método 800 pode incluir outras etapas ou etapas adicionais consistentes com as descrições para as Figuras acima.
[058] Na descrição acima, detalhes específicos de várias modalidades são fornecidos. Entretanto, algumas modalidades podem ser praticadas com menos que todos dentre esses detalhes específicos. Em outras instâncias, determinados métodos, procedimentos, componentes, estruturas e/ou funções são descritos em detalhes não mais do que para permitir as várias modalidades da invenção, por uma questão de brevidade e clareza.
[059] Embora as operações do(s) método(s) no presente documento sejam mostradas e descritas em uma ordem particular, a ordem das operações de cada método pode ser alterada de modo que determinadas operações possam ser executadas em uma ordem inversa ou de modo que determinadas operações possam ser executadas, pelo menos em parte, simultaneamente com outras operações. Em uma outra modalidade, instruções ou suboperações de operações distintas podem ser implantadas de modo intermitente e/ou alternativo.
[060] Embora modalidades específicas da invenção tenham sido descritas e ilustradas, a invenção não deve ser limitada às formas específicas ou disposições das peças descritas e ilustradas. O escopo da invenção deve ser definido pelas reivindicações anexas ao presente documento
35/35 e pelos equivalentes das mesmas.

Claims (19)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Aparelho, caracterizado pelo fato de que compreende: uma estrutura de transferência de calor configurada para ser disposta pelo menos parcialmente no interior de um invólucro de um reator de leito fixo e operável para transferir calor a partir de uma fonte de calor para um dissipador de calor, em que a estrutura de transferência de calor compreende:
    uma pluralidade de aletas, em que cada uma compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo, em que a segunda extremidade está pelo menos parcialmente envolvida no interior do invólucro do reator de leito fixo e em que uma trajetória de pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas compreende o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas e a segunda extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas.
  2. 2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma largura em corte transversal da segunda extremidade de uma primeira aleta da pluralidade de aletas é maior que a largura em corte transversal da primeira extremidade da primeira aleta.
  3. 3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma largura em corte transversal da segunda extremidade de uma primeira aleta da pluralidade de aletas é menor que a largura em corte transversal da primeira extremidade da primeira aleta.
  4. 4. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,
    2/6 caracterizado pelo fato de que a estrutura de transferência de calor é integral com o invólucro do reator de leito fixo, em que a primeira extremidade de cada uma dentre a pluralidade de aletas é integral com o invólucro do reator de leito fixo.
  5. 5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a estrutura de transferência de calor compreende adicionalmente uma segunda pluralidade de aletas, em que a segunda pluralidade de aletas é externa em relação ao invólucro do reator de leito fixo, em que cada uma dentre a segunda pluralidade de aletas compreende uma terceira extremidade e uma quarta extremidade, em que a terceira extremidade faz contato com uma superficie externa do invólucro do reator de leito fixo.
  6. 6. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de aletas não faz contato entre si no interior do invólucro do reator de leito fixo.
  7. 7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura de transferência de calor compreende adicionalmente um primeiro eixo geométrico central que está aproximadamente no mesmo local que um segundo eixo geométrico central do invólucro do reator de leito fixo.
  8. 8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que duas ou mais aletas se prendem em um ponto interno no interior do invólucro do reator de leito fixo.
  9. 9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que as duas ou mais aletas que
    3/6 se prendem em um ponto interno no interior do invólucro do reator de leito fixo formam um formato geralmente parabólico.
  10. 10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que uma trajetória de cada uma dentre as duas ou mais aletas que se prendem em um ponto interno no interior do invólucro do reator de leito fixo compreende o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade e a segunda extremidade das duas ou mais aletas.
  11. 11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o invólucro do reator de leito fixo compreende um tubo, em que um diâmetro do invólucro é maior que 2,54 cm (1 polegada).
  12. 12. Método para conduzir calor através de uma estrutura de transferência de calor de um reator de leito fixo, caracterizado pelo fato de que o método compreende:
    gerar calor em uma cavidade próxima à estrutura de transferência de calor; e conduzir calor através da estrutura de transferência de calor em que a estrutura de transferência de calor compreende uma pluralidade de aletas que compreendem, cada uma, uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo, em que a segunda extremidade está pelo menos parcialmente envolvida no interior do invólucro do reator de leito fixo e em que uma trajetória de pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas compreende o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade
    4/6 de aletas e a segunda extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas.
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o método compreende adicionalmente:
    gerar calor no interior do invólucro do reator de leito fixo; e conduzir o calor a partir do interior do invólucro do reator de leito fixo através da estrutura de transferência de calor para o invólucro do reator de leito fixo, em que o calor é transferido a partir da segunda extremidade para a
    primeira extremidade de cada uma dentre a pluralidade de aletas. 14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o método compreende
    adicionalmente conduzir o calor através do invólucro para um meio de agente refrigerante que circunda pelo menos parcialmente uma superfície externa do invólucro do reator de leito fixo.
  14. 15. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o método compreende adicionalmente:
    gerar calor do lado de fora do invólucro do reator de leito fixo; e conduzir o calor a partir do lado de fora do invólucro do reator de leito fixo através da estrutura de transferência de calor para o espaço no interior do invólucro do reator de leito fixo, em que o calor é transferido a partir da primeira extremidade para a segunda extremidade de cada uma dentre a pluralidade de aletas.
    5/6
  15. 16. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a diferença de temperatura entre quaisquer dois pontos da estrutura de transferência
    de calor está entre 0 por cento e 25 por cento de uma temperatura média no interior do invólucro do reator de leito fixo. 17. Método, de acordo com a reivindicação 12,
    caracterizado pelo fato de que a diferença de temperatura entre quaisquer dois pontos da estrutura de transferência de calor está entre 0 por cento e 25 por cento de uma temperatura de reação alvo no interior do invólucro do reator de leito fixo.
  16. 18. Sistema, caracterizado pelo fato de que compreende:
    um reator de leito fixo que envolve um material catalítico e configurado para receber uma corrente de alimentação, em que a corrente de alimentação reage com o material catalítico;
    uma estrutura de transferência de calor configurada para ser disposta pelo menos parcialmente no interior de um invólucro do reator de leito fixo e operável para transferir calor a partir de uma fonte de calor para um dissipador de calor, em que a estrutura de transferência de calor compreende:
    uma pluralidade de aletas, em que cada uma compreende uma primeira extremidade e uma segunda extremidade, em que a primeira extremidade faz contato com uma superfície interna do invólucro do reator de leito fixo, em que a segunda extremidade está envolvida pelo menos parcialmente no interior do invólucro do reator de leito fixo e em que uma trajetória de pelo menos uma dentre a pluralidade de
    6/6 aletas compreende o comprimento mais curto possível entre a primeira extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas e a segunda extremidade da pelo menos uma dentre a pluralidade de aletas.
  17. 19. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende adicionalmente uma estrutura de resfriamento que envolve pelo menos parcialmente o invólucro do reator de leito fixo configurado para fazer com que o calor seja conduzido para longe do material catalítico através da estrutura de transferência de calor para o lado de fora do invólucro do reator de leito fixo.
  18. 20. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende adicionalmente um elemento de aquecimento que envolve pelo menos parcialmente o invólucro do reator de leito fixo configurado para fazer com que o calor seja conduzido através da estrutura de transferência de calor para o material catalítico no interior do invólucro do reator de leito fixo.
  19. 21. Sistema, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que o invólucro do reator de leito fixo compreende um tubo, em que um diâmetro do invólucro é maior que 2,54 cm (1 polegada).
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