BR112017009987B1 - Reator com escoamento radial da carga e com escoamento gravitante do catalisador e processo de reforma catalítica de uma mistura de tipo gasolina - Google Patents

Abstract

a presente invenção descreve um tipo de reator de leito radial que permite a utilização de pequenas quantidades de catalisador. aplicação do reator ao processo de reforma regenerativa.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[0001] A invenção se refere à tecnologia de reator de leito radialcom circulação gravitante de catalisador e escoamento transversal da carga. A invenção se aplica mais especialmente à reforma catalítica das gasolinas com regeneração contínua do catalisador. A invenção permite utilizar quantidades muito pequenas de catalisador de acordo com uma tecnologia de leito radial, particularidade que não é possível com as tecnologias atuais.

[0002] O presente reator permite atingir PPH superiores a 50 h-1(relação da vazão de carga sobre a massa de catalisador).

EXAME DA TÉCNICA ANTERIOR

[0003] Na técnica anterior que se refere aos reatores de leito radial,pode ser citada a patente US 6221320 que faz um recapitulativo das tecnologias convencionais (figuras 10 a 11).De acordo com o estado da técnica, o leito catalítico dentro de um reator de leito radial é delimitado por duas grades, uma grade interna e uma grade externa. Mais precisamente, são distinguidas geralmente:• Uma grade interna que delimita o coletor central dos efluentes gasosos,• Uma grade externa que delimita o volume de alimentação da carga no estado gasoso.

[0004] O fluido de processo (ou carga) chega pelo volume externodefinido entre a virola externa e a grade externa. Ele atravessa em seguida o leito catalítico de maneira substancialmente horizontal e ortogonal à circulação do catalisador que é gravitante, quer dizer substancialmente vertical de cima para baixo.

[0005] O fluido de processo em escoamento radial e o catalisadorem escoamento gravitante são separados pela grade externa que tem geralmente uma forma cilíndrica de mesmo eixo substancialmente vertical da grade externa.

[0006] O cilindro definido pela grade interna serve como coletorcentral para evacuar os efluentes gasosos da zona de reação compreendida entre a grade externa e a grade interna e, portanto, de forma substancialmente anular.

[0007] As restrições ligadas à tecnologia em leito radial sãomúltiplas. Em especial, as velocidades de gás na travessia do leito catalítico são limitadas para:• evitar a cavitação na entrada do leito• evitar o bloqueio do catalisador em sua saída contra a grade interna, também chamado de “pinning” em inglês• reduzir as perdas de carga (função da velocidade e da espessura do leito).

[0008] Por questões de distribuição homogênea em toda a altura doleito catalítico, uma grade perfurada destinada a criar perda de carga pode ser acrescentada sobre o coletor central.

[0009] Por razões de construção, é necessário deixar um espaçosuficiente entre a grade interna e a grade externa. Quando é acumulado o conjunto das restrições, o volume mínimo de catalisador que pode ser contido em uma virola é muito restrito. De maneira geral de acordo com a técnica anterior, as PPH máximas são da ordem de 20 h-1, enquanto que o reator de acordo com a presente invenção permite atingir PPH superiores a 50 h-1.

[0010] O documento US 4,411,870 descreve um reator que contémuma pluralidade de câmaras de reação, cada uma dessas câmaras compreendendo uma zona anular para o catalisador e a carga sendo distribuída nas diferentes zonas de reação de maneira a realizar um escoamento uniforme dos reagentes nas diferentes zonas. Esse documento não fornece nenhuma informação sobre as características geométricas das ditas zonas de reação.

DESCRIÇÃO SUMÁRIA DAS FIGURAS

[0011] A figura 1a representa uma vista explodida da virola 1 doreator de acordo com a invenção, mas que não contém o módulo M, de maneira a visualizar bem o piso 13 que sustenta os ditos módulos.

[0012] A figura 1b é uma vista explodida do reator de acordo com ainvenção na qual é possível ver os módulos M e a conexão dos mesmos com a parte superior da virola 1, assim como as pernas de admissão do catalisador 10 e a pernas de trasfego 11.

[0013] A figura 2a representa um corte do reator em vista de cimaque permite ver os módulos M, a zona catalítica de cada módulo 4 e as grades externas 2 e internas 3 que definem a dita zona catalítica.

[0014] A figura 2b representa um corte do reator em vista de ladoque permite visualizar a entrada da carga 8 e a saída dos efluentes 12 assim como o volume 9 de distribuição da carga no conjunto dos módulos M e o volume inteiro 7 de coleta dos efluentes provenientes de cada módulo M.

[0015] A figura 2c representa um módulo M em vista de lado epermite compreender bem a entidade correspondente dentro do reator. DESCRIÇÃO SUMÁRIA DA INVENÇÃO

[0016] A presente invenção descreve um tipo de reator de leitoradial, destinado a utilizar uma pequena quantidade de catalisador da ordem da tonelada e que pode vantajosamente constituir o primeiro reator da série em uma unidade de reforma catalítica das gasolinas que compreende de acordo com a técnica anterior três a quatro reatores posicionados em série.

[0017] Esse reator pode ser chamado de modular no sentido emque ele é constituído por um conjunto de módulos idênticos que funcionam em paralelo e que são contidos dentro de uma virola única.

[0018] Mais precisamente, o reator, de acordo com a presenteinvenção, é um reator com escoamento radial e com escoamento gravitante do catalisador constituído por um conjunto de módulos M substancialmente idênticos contidos dentro de uma virola única 1, que possui meios de introdução do catalisador 10 situados na parte superior, e meios de evacuação do dito catalisador 11 situados na parte inferior 7, e um meio de introdução da carga por uma tubulação central superior 8 e um meio de evacuação dos efluentes por uma tubulação central inferior 12, cada módulo tendo a forma de um cilindro delimitado por uma parede externa 2 substancialmente vertical e uma parede interna 5 substancialmente vertical, o conjunto das duas paredes definindo uma zona anular 4 que contém o catalisador, e as paredes externas 2 e internas 5 de cada módulo sendo permeáveis à carga gás e aos efluentes gás, e sendo geralmente constituídas por grade Johnson ou equivalentes, os ditos módulos sendo posicionados verticalmente de maneira globalmente simétrica em relação ao centro da virola 1, e as saídas dos efluentes de cada módulo sendo feitas pelo coletor central 3 de cada módulo que se comunica com a parte inferior 7 da virola 1, o volume interno 9 e o volume inferior 7 sendo separados por um piso 13 que faz vedação entre os dois volumes e permite também sustentar os módulos M, e a espessura de leito radial de cada módulo M sendo compreendida entre 10 e 400 mm, e preferencialmente compreendida entre 50 e 250 mm.

[0019] Entre as disposições possíveis dos módulos dentro da virola1, podem ser citados alinhamentos dos ditos módulos de acordo com vários círculos concêntricos. De maneira geral, qualquer que seja a disposição especial dos módulos dentro da virola, eles são distribuídos de modo aproximadamente simétrico em relação ao centro da virola 1.

[0020] De modo preferido, dentro do reator com escoamento radial de acordo com a presente invenção, os módulos M são distribuídos regularmente na parte interna da virola de acordo com um círculo.

[0021] De modo preferido, o reator de acordo com a presenteinvenção apresenta um número de módulos compreendido entre 3 e 12, e muito preferencialmente compreendido entre 5 e 10.

[0022] De modo preferido, o reator de acordo com a presenteinvenção, apresenta para cada módulo M uma relação altura sobre diâmetro compreendida entre 3 e 30, e muito preferencialmente compreendida entre 7 e 11.

[0023] Vantajosamente esse reator pode ser utilizado como o reatorde topo em um processo de reforma catalítica de uma mistura de tipo gasolina que utiliza uma série de três ou quatro reatores de leito radial. Nesse caso, é possível descrever o escoamento da carga e do catalisador do modo seguinte:• a carga entra dentro da virola 1 por meio da tubulação de entrada 8 situada na parte superior do reator e ocupa então o volume interno 9 a partir do qual ela penetra na parte interna de cada módulo M atravessando para isso a grade externa do dito módulo 2,• a carga atravessa o leito catalítico contido dentro da zona anular 4 de cada módulo M e os efluentes que resultam da reação catalítica são coletados dentro do coletor central 3 de cada módulo,• os efluentes de cada módulo são agrupados dentro do volume inferior 7 da virola 1, e são evacuados do reator pela tubulação de saída• o catalisador é admitido dentro de cada módulo por uma tubulação de admissão 10 e escoa de modo gravitante na zona anular 4 de cada módulo, e depois é evacuado do módulo por uma tubulação de saída 11.

[0024] Em um processo de reforma catalítica de uma mistura degasolina que utiliza o reator de acordo com a presente invenção, a PPG (razão da vazão de carga sobre o peso de catalisador) é superior a 50 h-1, preferencialmente superior a 100 h-1.

[0025] Em um processo de reforma catalítica de uma mistura degasolina que utiliza o reator de acordo com a presente invenção, a carga pode ter um teor em parafinas que pode ir até 70 % em peso e mesmo ser uma carga inteiramente parafínica.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0026] A invenção consiste essencialmente em realizar um conjuntode “módulos” de leito radial de pequenos tamanhos que permite atingir PPPH mais elevadas do que em reatores tradicionais, o conjunto desses módulos sendo contido dentro de uma virola única.

[0027] A descrição que se segue é feita com o auxílio da figura 1aque representa o reator em vista explodida e sem módulo, de maneira a visualizar bem a virola externa 1 e da figura 1b que representa o reator em vista explodida que contém os módulos.

[0028] As figuras 2a e 2b representam um reator em vista de cima(figura 2a) e de lado (figura 2b).

[0029] A carga entra dentro da virola 1 por meio da tubulação 8situada na parte superior. A carga ocupa então o volume interno 9 a partir do qual ela penetra na parte interna de cada módulo atravessando para isso a grade externa do dito módulo 2.

[0030] A carga atravessa o leito catalítico contido dentro da zonaanular 4 de cada módulo e os efluentes que resultam da reação catalítica são coletados dentro do coletor central 3 de cada módulo. Os efluentes de cada módulo são agrupados dentro do volume inferior 7 da virola 1.

[0031] O volume interno 9 e o volume inferior 7 são separados porum piso 13 que faz vedação entre os dois volumes e que permitem também sustentar os módulos M.

[0032] O catalisador é admitido dentro de cada módulo por uma tubulação de admissão 10. Ele escoa de modo gravitante na zona anular 4 de cada módulo, e depois é evacuado do módulo por uma tubulação de saída 11. Há pelo menos uma tubulação de admissão 10 e uma tubulação de saída 11 por módulo.

[0033] Os módulos têm a forma de cilindros delimitados por umaparede externa 2 substancialmente vertical e uma parede interna 5 substancialmente vertical, o conjunto das duas paredes definindo uma zona anular 4 que contém o catalisador. As paredes externas 2 e internas 5 de cada módulo são permeáveis à carga e aos efluentes de gás, e são geralmente constituídas por grade Johnson ou outros meios equivalentes. Esses módulos são posicionados dentro de uma só e mesma virola 1 que serve como volume para a alimentação com gás de processo pela parte superior 6 e a evacuação dos efluentes.

[0034] Os efluentes de cada zona catalítica são então coletadosdentro de um volume comum 7 situado na parte inferior da viola 1. Os módulos permitem realizar leitos catalíticos com espessuras muito pequenas, o que reduz consideravelmente as restrições de perda de carga.

[0035] A relação altura sobre diâmetro de cada módulo égeralmente compreendida entre 3 e 30, preferencialmente compreendida entre 7 e 11.

[0036] A espessura de leito radial de cada módulo é compreendidaentre 10 e 300 mm, geralmente inferior a 100 mm (a mm = 10-3 m).

[0037] A PPH (relação da vazão de carga sobre o peso decatalisador) é geralmente superior a 50 h-1 preferencialmente a 100 h-1.

[0038] Os centros de cada módulo são posicionadosvantajosamente ao longo de um círculo, como é mostrado a título de exemplo na figura 2 a para um reator que contém 6 módulos idênticos.

[0039] O número de módulos é geralmente compreendido entre 3 e12, preferencialmente compreendido entre 5 e 10.

[0040] Os coletores centrais 3 de cada módulo se comunicam comum mesmo volume 7 situado na parte inferior da virola 1 que permite a evacuação do efluente pela tubulação de saída 12.

[0041] Na parte superior da virola 1 se encontram tirantes 6 quepermitem manter os módulos M pousados sobre a placa 13. Essa placa 13 é estanque para evitar qualquer mistura da carga contida dentro do volume superior 9 com os efluentes reunidos dentro do volume inferior 7.

[0042] A dita placa 13 é sustentada por pilares e vigas de reforçopara suportar o peso dos módulos (cheios de catalisador).

[0043] Cada módulo M dispõe de uma placa de fixação à placa 13,essa fixação podendo ser realizada por qualquer meio conhecido pelo profissional.

[0044] O reator permite também inspecionar visualmente por umaabertura, o reator uma vez montado, notadamente para as grades externas, e grades internas, pelo menos em parte. A colocação em paralelo de vários módulos permite também considerar de condenar um deles em caso de falha, ao mesmo tempo em que se continua a fazer o sistema funcionar nos módulos restantes.

[0045] O sistema proposto permite, portanto, o alcance dosobjetivos de PPH elevadas para otimizar os desempenhos de reação do processo, ao mesmo tempo em que propõe um conceito mecânico realista, modulável, flexível e de manutenção fácil.

EXEMPLOS

[0046] Os exemplos que se seguem permitem ilustrar odimensionamento de um reator, de acordo com a invenção, destinado a ser posicionado no topo de uma unidade de reforma regenerativa que trata uma carga da qual a vazão de nafta é de 150 t/h de carga:• O exemplo 1 representa o caso de referência não de acordo com a invenção, • O exemplo 2 representa os desempenhos de uma unidade de acordo com a invenção munida de um reator de topo com as mesmas condições de operação e a mesma quantidade total de catalisador que no exemplo 1.• O exemplo 3 ilustra os desempenhos de uma unidade que tem as mesmas características que aquela do exemplo 2, mas que trata uma carga mais severa.

[0047] No exemplo 1, é tratada uma carga de hidrocarbonetos emquatro zonas de reação dispostas em série dentro de quatro reatores. A distribuição do catalisador dentro dos reatores é a seguinte: 10%/ 20%/30%/40% em peso em relação ao peso total de catalisador.

[0048] A quantidade total de catalisador é de 75 toneladas.

[0049] A tabela 1 dá a composição da carga de hidrocarbonetos:• ponto inicial de ebulição 100°C, ponto final de ebulição170°C:

[0050] O catalisador utilizado nos reatores compreende um suportede tipo alumina clorada, platina e é promovido com estanho.

[0051] A carga aquecida a 514°C é assim tratada sucessivamentedentro dos quatro reatores com um aquecimento intermediário do efluente a 514°C antes de sua introdução na zona de reação seguinte.

[0052] As condições de operação nas quatro zonas de reação sãodadas na tabela 2. Essas condições foram escolhidas para produzir um reformado recuperado na saída do quarto reator do qual o índice RON (Research Octane Number de acordo com a terminologia anglo- saxônica) é igual a 102.

[0053] O exemplo 2 corresponde ao exemplo 1, exceto pelo fato deque a carga de hidrocarbonetos é tratada em cinco reatores dispostos em série com uma distribuição do catalisador seguinte: 2%/10%/ 20%/30%/38% em peso em relação ao peso total de catalisador. O pequeno reator de acordo com a presente invenção é posicionado no topo. Ele é o reator 1.

[0054] A quantidade total de catalisador é de 75 toneladas paratratar uma vazão de carga de hidrocarbonetos de 150 t/h.

[0055] Como no exemplo 1, a carga e o efluente de uma zona dereação são aquecidos a 514°C antes de entrar na zona de reação seguinte.

[0056] As condições de operação nas zonas de reação dos reatoresestão agrupadas na tabela 3 seguinte:

[0057] O dimensionamento do primeiro reator é realizado de acordocom as figuras 1 e 2 com as características geométricas descritas na tabela 4.

[0058] Utilizando-se o pequeno reator de topo de acordo com ainvenção, é limitada a queda de temperatura nessa primeira zona de reação, mas também nas outras zonas 2, 3, 4 e 5.

[0059] Visto que a atividade do catalisador é função da temperaturamédia no leito catalítico, limitando a queda de temperatura melhora-se, consequentemente, o rendimento em compostos aromáticos, como indicado na tabela 5.

[0060] Esse aumento de temperatura dentro dos leitos catalíticosimpacta grandemente na atividade do catalisador. Para uma mesma quantidade de catalisador como ilustrado abaixo, o ganho em produção de aromático permite uma melhoria em RON de 1,6 pontos.

[0061] O exemplo 3 permite ilustrar o aporte da invenção do pontode vista da severidade de carga. Uma carga é ainda mais severa quanto mais elevado for seu teor em parafinas. Com uma abordagem idêntica ao estado anterior, é necessário aumentar a quantidade de catalisador ou a temperatura na entrada do reator para manter o RON do reformado. O exemplo 3 visa tratar uma carga, tal como aquela descrita na tabela 6, carga muito mais severa do que aquela do exemplo 1.

[0062] Com as mesmas condições de operação que aquelasdescritas nas tabelas 3 e 4, o RON do reformado é mantido a 102 apesar de um aumento de 15% em peso da quantidade de parafinas dentro da carga.

Claims (5)

1. Reator com escoamento radial da carga e com escoamento gravitante do catalisador, caracterizado pelo fato de que ele é constituído por um conjunto de módulos (M) substancialmente idênticos contidos dentro de uma virola única (1), e regularmente distribuídos na parte interna da dita virola de acordo com um círculo, cada módulo (M) tendo uma relação altura sobre diâmetro compreendida entre 7 e 11, e cada módulo (M) possuindo meios de introdução do catalisador (10) situados na parte superior, e meios de evacuação do dito catalisador (11) situados na parte inferior (7) da virola (1), e um meio de introdução da carga por uma tubulação central superior (8) e um meio de evacuação dos efluentes por uma tubulação central inferior (12), cada módulo tendo a forma de um cilindro delimitado por uma parede externa (2) substancialmente vertical e uma parede interna (5) substancialmente vertical, o conjunto das duas paredes (2) e (5) definindo uma zona anular (4) que contém o catalisador, e as paredes externas (2) e internas (5) de cada módulo sendo permeáveis à carga gás e aos efluentes gás, e sendo constituídas por grade Johnson ou equivalentes, os ditos módulos sendo posicionados verticalmente de maneira globalmente simétrica em relação ao centro da virola (1), e as saídas dos efluentes de cada módulo sendo feitas pelo coletor central (3) de cada módulo que se comunica com a parte inferior (7) da virola (1), o volume interno (9) da virola (1) e o volume inferior (7) da virola (1) sendo separados por um piso (13) que faz vedação entre os dois volumes e permite também sustentar os módulos (M), e a espessura de leito radial de cada módulo (M) sendo compreendida entre 10 e 400 mm, e preferencialmente compreendida entre 50 e 250 mm, e o número de módulos sendo compreendido entre 5 e 10.

2. Processo de reforma catalítica de uma mistura de tipo gasolina que utiliza o reator como definido na reivindicação 1, posicionado no topo da série de reatores que constituem a unidade de reforma, caracterizado pelo fato de que:• a carga entra dentro da virola (1) por meio da tubulação de entrada (8) situada na parte superior do reator e ocupa então o volume interno (9) a partir do qual ela penetra na parte interna de cada módulo (M) atravessando para isso a grade externa do dito módulo (2),• a carga atravessa o leito catalítico contido dentro da zona anular (4) de cada módulo (M) e os efluentes que resultam da reação catalítica são coletados dentro do coletor central (3) de cada módulo, e depois• os efluentes de cada módulo são agrupados dentro do volume inferior (7) da virola (1), e são evacuados do reator pela tubulação de saída (12),• o catalisador é admitido dentro de cada módulo por uma tubulação de admissão (10) e escoa de modo gravitante na zona anular (4) de cada módulo, e depois é evacuado do módulo por uma tubulação de saída (11).

3. Processo de reforma catalítica de uma mistura de tipo gasolina, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a PPG (razão da vazão de carga sobre o peso de catalisador) é superior a 50 h-1, preferencialmente superior a 100 h-1.

4. Processo de reforma catalítica de uma mistura de tipo gasolina, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a carga tem um teor em parafinas que pode ir até 70 % em peso.

5. Processo de reforma catalítica de uma mistura de tipo gasolina, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a carga é inteiramente parafínica.

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