BR112017022174B1

BR112017022174B1 - Reator, sistema de reator, e, processo para realizar uma reação limitada pelo equilíbrio

Info

Publication number: BR112017022174B1
Application number: BR112017022174-8A
Authority: BR
Inventors: Julian Stuart Gray
Original assignee: Johnson Matthey Davy Technologies Limited
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2020-12-15
Also published as: ES2898859T3; CA2982688A1; CN107666955B; DK3283210T3; CN115282883A; CA2982688C; GB2539991A; US10683206B2; TW201700160A; GB201506572D0; PT3283210T; ZA201706799B; US11161739B2; EA201792299A1; CN107666955A; KR102543016B1; US20200290875A1; TWI698280B; US11560309B2; EP3283210B1

Abstract

trata-se de um reator que tem um invólucro que compreende: um ou mais tubos de reator localizados dentro do invólucro, sendo que o dito tubo ou tubos de reator compreendem uma pluralidade de receptáculos de catalisador contendo catalisador; meios para fornecer um fluido de transferência de calor para o invólucro do reator de modo que o fluido de transferência de calor entre em contato com o tubo ou tubos; uma entrada para fornecer reagentes para os tubos de reator; e uma saída para recuperar produtos a partir dos tubos de reator; em que a pluralidade de receptáculos de catalisador contendo catalisador dentro de um tubo compreende receptáculos de catalisador contendo catalisador de pelo menos duas configurações.

Description

[001]A presente invenção refere-se a um processo para realizarreações limitadas pelo equilíbrio na presença de um catalisador heterogêneo. Mais particularmente, a mesma se refere a um processo em que a temperatura é controlada e o processo é otimizado. Ainda mais particularmente, a mesma se refere a um processo para produzir trióxido de enxofre.

[002]Muitas reações químicas são reversíveis.Nessas reações areação direta dos reagentes para o produto desejado é acompanhada por uma reação inversa em que o produto desejado retorna para os reagentes.Esses processos alcançarão equilíbrio onde a taxa de reação direta corresponde à taxa da reação inversa.Tais reações são consideradas limitadas pelo equilíbrio.

[003]Há um grande número de reações que estão nessa categoria. Um exemplo usado frequentemente para ilustrar uma reação limitada pelo equilíbrio é a oxidação de dióxido de enxofre para formar trióxido de enxofre que avança de acordo com a equação: SO2+ ^O2 θ SO3

[004]Em uma reação de equilíbrio desse tipo, há uma constante deequilíbrio Kc que é normalmente expressa como a razão entre a concentração do produto e o material de base.

[005]A oxidação de dióxido de enxofre é uma reação altamenteexotérmica e a partir da equação de Van’t Hoff é possível compreender a dependência que a constante de equilíbrio tem da temperatura da reação. Tipicamente a equação de Van’t Hoff é expressa como:

em que K1 é a constante de equilíbrio em temperatura absoluta TI, K2 é a temperatura de equilíbrio em temperatura absoluta T2, R é a constante de gás universal e ΔHr é o calor da reação.

[006]Essa equação ilustra que conforme a temperatura aumenta o valor da constante de equilíbrio para uma reação exotérmica diminui e, consequentemente, a posição de equilíbrio da reação se move em direção à esquerda. Portanto, será compreendido que a fim de alcançar uma conversão alta dos reagentes para os produtos, a temperatura do reator precisa ser reduzida suficientemente para que a constante de equilíbrio favoreça uma concentração superior dos produtos em relação aos reagentes.

[007]Para a reação de equilíbrio particular de oxidação de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre, a dependência de temperatura da constante de equilíbrio é frequentemente representada como um gráfico que mostra a quantidade de dióxido de enxofre convertida para trióxido de enxofre versus temperatura. Um exemplo desse gráfico é ilustrado na Figura 1. Em geral, sabe-se que temperaturas superiores levam a taxas de reação cinética superiores, mas uma vez que em temperaturas superiores a constante de equilíbrio favorece concentrações superiores de reagentes, a quantidade de conversão para os produtos desejados que pode ser alcançada é limitada. Na oxidação de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre, a taxa de conversão é definida como a porcentagem de dióxido de enxofre oxidada para o produto desejado. Assim, conforme a reação avança e a temperatura sobe, é necessário resfriar os reagentes para que a constante de equilíbrio aumente e a conversão do dióxido de enxofre seja maximizada.

[008]No processo industrial convencional, leitos fixos simples de catalisador são usados. Esses leitos operarão de forma adiabática com a temperatura subindo rapidamente conforme os reagentes fluem através do catalisador no leito. O resultado é que cada leito pode realizar apenas uma quantidade limitada de oxidação antes do limite de equilíbrio ser alcançado. Uma vez que esse ponto é alcançado, o gás tem que ser recuperado a partir do leito adiabático e resfriado para se afastar do ponto de equilíbrio. O gás resfriado é, então, alimentado para um novo leito adiabático fixo de modo que oxidação adicional possa ocorrer. A Figura 2 ilustra um perfil de temperatura típico para uma reação que inclui esse resfriamento intermediário.

[009]Embora o problema associado à reação limitada pelo equilíbrio tenha sido discutido em referência à oxidação de dióxido de enxofre, será compreendido que os problemas se aplicam igualmente a quaisquer outras reações limitadas pelo equilíbrio tais como aquelas para a reação de amônia e metanol.

[0010] Um problema adicional associado à oxidação de dióxido de enxofre é que qualquer dióxido de enxofre não reagido remanescente no fim do processo representa um problema ambiental que precisa ser removido a partir do gás de escapamento antes desse poder ser ventilado para a atmosfera. Portanto, é desejável garantir que a conversão seja tão alta quanto possível para minimizar emissões de dióxido de enxofre.

[0011] A conversão de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre pode ser alcançada passando-se o dióxido de enxofre através de uma série de leitos adiabáticos até tipicamente 90% a 95% do mesmo ter sido convertido para trióxido de enxofre. Então, a fim de deslocar a composição de gás adicionalmente para longe da posição de equilíbrio, o gás é resfriado e depurado com ácido sulfúrico diluído.Essa etapa de depuração absorve o produto de trióxido de enxofre. O produto resultante de corrente de gás pobre pode, então, ser reaquecido e alimentado para um ou mais leitos de reação adicionais em que reação adicional ocorre para alcançar tipicamente mais do que 99,7% de conversão do dióxido de enxofre. Esse é considerado o nível de conversão aceitável mínimo que permite que o gás de escapamento seja ventilado para a atmosfera sem tratamento adicional. No entanto, será compreendido que é necessário resfriar a corrente de gás antes de a mesma ser passada para o absorvedor. Essa necessidade de resfriamento, o próprio absorvedor e o reaquecimento pós-absorção contribuem significativamente para os custos de capital e operação do processo.

[0012] A Figura 3 é uma representação esquemática de um sistema de reator para essa disposição que inclui uma absorção intermediária localizada antes do leito final. No exemplo ilustrado, o gás alimentado para o primeiro leito adiabático 2 na linha 1 será uma mistura de dióxido de enxofre, oxigênio e nitrogênio. Esse é alimentado para o leito a uma temperatura de cerca de 416,85 °C (690 K). Conforme os gases passam sobre o leito, a reação ocorre e cerca de 60% a cerca de 70% do dióxido de enxofre é oxidado. Uma corrente de gases não reagidos e do trióxido de enxofre formado é removida na linha 3. Essa corrente terá sido aquecida para uma temperatura de cerca de 596,85 °C (870 K). Essa é, então, resfriada no trocador de calor 4, com o calor sendo recuperado na linha 5. Os gases são resfriados para cerca de 426,85 °C (700 K) antes de serem passados na linha 6 para o segundo leito de catalisador 7 onde ocorre oxidação adicional. A corrente de gás recuperado na linha 8 conterá cerca de 90% de dióxido de enxofre e terá sido aquecida para cerca de 476,85 °C (750 K). Essa é, então, resfriada no trocador de calor 9, com o calor sendo recuperado na linha 10. O gás é passado para o terceiro leito de catalisador 12 na linha 11 onde ocorre reação adicional. A corrente de gás recuperado na linha 13 incluirá cerca de 95% de dióxido de enxofre e estará a uma temperatura de cerca de 446,85 °C (720 K). Essa é, então, resfriada no trocador de calor 14 antes de ser passada para o absorvedor intermediário 15 em que o produto é recuperado ao ser depurado com ácido sulfúrico. O dióxido de enxofre não reagido é passado na linha 16 para o trocador de calor 17 onde o mesmo é aquecido para cerca de 416,85 °C (690 K) antes de ser passado para o quarto leito de catalisador 19 na linha 18. Reação adicional é realizada nesse leito e a corrente de produto é removida na linha 20 a uma temperatura de cerca de 426,85 °C (700 K). Cerca de 99,9% do dióxido de enxofre terá sido convertido. Os quatro leitos de reação 2, 7, 12 e 19 podem ficar localizados no mesmo invólucro do reator 21. Nessa disposição, chapas impermeáveis 22 ficam localizadas entre os leitos de catalisador 2, 7 12 e 19 que ficam localizados entre os leitos.

[0013] As implicações de custo dessa abordagem são proibitivas onde apenas pequenos volumes de dióxido de enxofre devem ser processados. Nesses casos, o processo adotado é aceitar um nível inferior de conversão de dióxido de enxofre e omitir o estágio de absorção intermediária. Nessa abordagem, após a remoção do produto trióxido de enxofre, qualquer dióxido de enxofre remanescente é removido por meio de um sistema de tratamento de fim de tubulação. Embora esse processo não tenha os altos custos associados ao sistema de absorção, a exigência para fornecer e operar o sistema de tratamento de fim de tubulação aumenta os custos do processo.

[0014] Seja qual for o sistema usado, há sempre um estágio de absorção pós-reator em que o trióxido de enxofre é absorvido em ácido sulfúrico. Os sistemas que incluem uma etapa de absorção antes do leito de catalisador final são conhecidos como uma “instalação de duplo contato de ácido” enquanto aqueles apenas com o sistema de tratamento de fim de tubulação são conhecido como uma “instalação de contato único de ácido”.

[0015] Problemas similares de processamento surgem com outras reações de equilíbrio.

[0016] Mais um problema adicional associado às reações limitadas pelo equilíbrio é aquele associado à temperatura de reação ideal.Reatores de múltiplos estágios adiabáticos com resfriamento intermediário são usados particularmente onde a reação avança seletivamente para entregar um produto único, mas é limitada pelas condições de equilíbrio. Conforme discutido acima, o resfriamento intermediário é usado para deslocar a temperatura do gás na direção de conversão de equilíbrio superior. Em reações exotérmicas, tal como a produção de amoníaco, trióxido de enxofre e metanol, a conversão de equilíbrio para o produto alvo diminui com o aumento da temperatura. Isto é ilustrado na Figura 4.2A na Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B4, 1992.

[0017] Para uma dada conversão, em temperaturas baixas a atividade do catalisador é reduzida e a reação avançará lentamente. Conforme a temperatura aumenta, a atividade catalítica aumenta e a taxa de reação também aumenta. No entanto, conforme a temperatura se aproxima do ponto de equilíbrio, a taxa de reação diminuirá gradualmente até a reação direta corresponder à reação inversa e a taxa de reação líquida se reduz para zero.

[0018] Portanto, pode ser encontrada uma temperatura em que a taxa de reação, em relação ao produto, se torna um máximo.Essa temperatura será abaixo da temperatura de equilíbrio, mas não será baixa a ponto de a reação se tornar muito lenta para a reação operar cineticamente. Esses pontos podem ser plotados para formar uma curva de taxa de reação máxima que é conhecida como o local de taxa de reação ideal ou Local de Taxa Máxima (MRL). Isto é ilustrado na Figura 4.2B na Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B4, 1992.

[0019] No caso de controle de reação adiabática a temperatura aumenta linearmente com a conversão alcançada Δx de acordo com a equação:

em que cada percurso de reação adiabática de uma reação exotérmica fica em uma linha reta de gradiente ΔT/Δx conforme ilustrado na Figura 4.2A na Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B4, 1992. Um percurso de reação prático para uma reação adiabática de múltiplos estágios pode, então, ser derivado a partir da Figura 4.2 na Ullmann’s Encyclopedia os Industrial Chemistry, Vol. B4, 1992 unindo-se seções de linha reta para a reação adiabática a linhas verticais para a redução de temperatura devido a resfriamento intermediário indireto conforme ilustrado na Figura 4.2C na Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. B4, 1992.

[0020] O percurso de reação cinética ideal com o menor volume de catalisador exigido resulta quando a trajetória segue, em um grande número de etapas pequenas, a linha de taxa de reação máxima. Na prática, as despesas em aparelho e equipamento envolvidas no uso de um grande número de estágios precisam ser ponderadas em relação às economias no catalisador.

[0021] Os reatores de múltiplos estágios convencionais para essa classe de reação frequentemente são limitados a cerca de três a cinco estágios pois, caso contrário, o custo de capital da instalação se torna excessivo. No entanto, pode ser visto que nesse caso mesmo se o custo de capital for mantido baixo uma grande parte do leito de catalisador opera em temperaturas que são distantes da temperatura ideal e no caso de temperaturas de operação inferiores, o catalisador não é utilizado totalmente em sua capacidade para realizar a reação. Nesse caso, um volume muito maior de catalisador é necessário o que torna o custo do catalisador mais alto e o tamanho do reator maior.

[0022] Problemas similares se aplicam onde a reação de equilíbrio é uma reação endotérmica.

[0023] Portanto, existe uma necessidade de projetar um processo que faça uso máximo do catalisador instalado dentro do reator em uma temperatura que muda através do reator para que, conforme a reação avança e a conversão aumenta, a temperatura do catalisador seja mantida em uma região em que seu desempenho seja maximizado.

[0024] É desejável adicionalmente fornecer um processo para reações de equilíbrio que supere alguns ou todos esses problemas. Foi constatado que se, em vez de usar leitos de catalisador convencionais, o catalisador estiver localizado dentro de transportadores de catalisador, que também podem ser denominados como receptáculos, um ou mais desses problemas podem ser enfrentados.

[0025] Assim, de acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um reator que tem um invólucro que compreende: um ou mais tubos de reator localizados dentro do invólucro, sendo que o dito tubo ou tubos de reator compreendem uma pluralidade de receptáculos de catalisador contendo catalisador; meios para fornecer um fluido de transferência de calor para o invólucro do reator de modo que o fluido de transferência de calor entre em contato com o tubo ou tubos; uma entrada para fornecer reagentes para os tubos de reator; e uma saída para recuperar produtos a partir dos tubos de reator; em que a pluralidade de receptáculos de catalisador contendo catalisador dentro de um tubo compreende receptáculos de catalisador contendo catalisador, em que os ditos receptáculos e/ou o catalisador contido tem pelo menos duas configurações.

[0026] A maneira pela qual a configuração dos receptáculos difere é discutida em mais detalhes abaixo. No entanto, as principais formas pelas quais as mesmas diferem são relacionadas ao tipo de catalisador dentro do receptáculo, à quantidade de catalisador dentro do receptáculo, à quantidade de calor removida do receptáculo ou combinações desses.

[0027] Utilizando-se pelo menos duas configurações de receptáculos de catalisador contendo catalisador a reação pode ser otimizada de modo que a temperatura do catalisador seja mantida dentro de uma região em que seu desempenho seja maximizado e o percurso de reação plotado como conversão versus temperatura de operação segue mais proximamente o local de taxa de reação ideal. Em particular, em uma disposição, a invenção permitirá que a temperatura da reação esteja dentro de 100 °C da temperatura ideal em um dado nível de conversão.

[0028] Pelo uso de uma pluralidade de receptáculos de catalisador dentro de o, ou de cada, tubo do reator, em que cada tubo inclui uma série de leitos adiabáticos com resfriamento intermediário para uma reação exotérmica, ou aquecimento onde a reação é endotérmica. Onde há uma pluralidade de tubos, cada um contendo uma pluralidade de receptáculos de catalisador, o reator compreende uma pluralidade de sistemas paralelos em que cada um inclui uma série de leitos adiabáticos. Desta forma, o perfil de temperatura segue mais de perto o Local de Taxa Máxima.

[0029] O número de receptáculos de catalisador localizados com o tubo dependerá da reação que é realizada e do tamanho do reator usado. Assim, pode haver de cerca de 10 a cerca de 100 receptáculos.

[0030] Em uma disposição, haverá mais do que duas configurações de receptáculos de catalisador contendo catalisador. Em uma disposição adicional, pode haver três, quatro, cinco, seis, sete, oito, nove, dez ou mais configurações de receptáculos de catalisador contendo catalisador. Em mais uma disposição adicional, cada receptáculo de catalisador contendo catalisador será de uma configuração diferente de cada outra dentro de um respectivo tubo. Onde há menos configurações de receptáculos de catalisador contendo catalisador do que receptáculos a serem contidos dentro de um tubo, os receptáculos de catalisador contendo catalisador da mesma configuração são agrupados de modo que há conjuntos de receptáculos da mesma configuração que podem ser repetidos dentro do tubo.

[0031] Onde a reação realizada é a produção de trióxido de enxofre a partir de dióxido de enxofre, será possível alcançar uma conversão de cerca de 99,7% ou ainda maior do que 99,7% de modo que a necessidade de tratamento de fim de tubulação do gás de ventilação será evitada.

[0032] Qualquer receptáculo de catalisador adequado pode ser usado.Em uma disposição, o receptáculo de catalisador é aquele descrito no documento WO2011/048361, cujos conteúdos são incorporados ao presente documento a título de referência.Em uma disposição alternativa, o receptáculo de catalisador pode ser aquele descrito no documento GB1417462.7 de 2 de outubro de 2014 cujos conteúdos são incorporados ao presente documento a título de referência. Assim, o receptáculo de catalisador pode compreender: um recipiente que compreende catalisador, sendo que o dito recipiente tem uma superfície de fundo que fecha o recipiente, e uma superfície de topo; uma parede externa de transportador que se estende da superfície de fundo do dito recipiente à superfície de topo; uma vedação que se estende a partir do recipiente por uma distância que se estende além da parede externa de transportador; sendo que a dita parede externa de transportador tem aberturas localizadas abaixo da vedação.

[0033] Em uma disposição, que é particularmente adequada onde o catalisador é um catalisador particulado ou um espumado, o receptáculo de catalisador pode compreender: um recipiente anular, sendo que o dito recipiente tem uma parede interna de recipiente perfurada que define um canal interno, uma parede externa de recipiente perfurada, uma superfície de topo que fecha o recipiente anular e uma superfície de fundo que fecha o recipiente anular; uma superfície que fecha o fundo do dito canal interno formado pela parede interna de recipiente do recipiente anular.

[0034] O receptáculo de catalisador será, em geral, dimensionado de modo que o mesmo seja de uma dimensão menor do que a dimensão interna do tubo de reator dentro do qual o mesmo é colocado. A vedação será dimensionada de modo que a mesma interaja com a parede interna do tubo de reator quando o receptáculo de catalisador da presente invenção estiver em posição dentro do tubo de reator.

[0035] Em uso em um reator vertical com fluxo descendente, o reagente (ou reagentes) flui para baixo através do tubo de reator e, assim, faz contato primeiro com a superfície superior do receptáculo de catalisador. Uma vez que a vedação bloqueia a passagem do reagente (ou reagentes) ao redor do lado do receptáculo, a superfície de topo do mesmo direciona os mesmos para dentro do canal interno definido pela parede interna de recipiente. O reagente (ou reagentes), então, entra no recipiente anular através da parede interna de recipiente perfurada e, então, passa radialmente através do leito de catalisador em direção à parede externa de recipiente perfurada. Durante a passagem da parede interna de recipiente para a parede externa de recipiente, o reagente (ou reagentes) entra em contato com o catalisador e a reação ocorre. O reagente não reagido e o produto, então, fluem para fora do recipiente através da parede externa de recipiente perfurada. A parede externa de transportador, então, direciona o reagente e o produto para cima entre a superfície interna da parede externa de transportador e a parede externa de recipiente perfurada do recipiente anular até que os mesmos alcancem as aberturas na parede externa de transportador. Os mesmos são, então, direcionados através das aberturas localizadas na parede externa de transportador e fluem para baixo entre a superfície externa da parede externa de transportador e a superfície interna do tubo de reator em que a transferência de calor ocorre. No caso em que o reator é operado de modo que o fluxo é invertido, o trajeto será invertido.

[0036] A superfície de topo do recipiente pode ser de qualquer tamanho e configuração adequados. Na disposição em que o receptáculo compreende uma parede de recipiente interna e externa perfuradas, a superfície de topo pelo menos se estenderá para fora a partir da parede externa de recipiente perfurada e se conectará com a parede externa de transportador.Em uma disposição alternativa a superfície de topo pode se estender a partir da parede interna de recipiente perfurada para a parede externa de transportador.Será compreendido que a superfície de topo pode ser um anel que se estende a partir de um ponto entre a localização da parede interna de recipiente perfurada e a parede externa de recipiente perfurada para a parede externa de transportador.

[0037] Em uma disposição, um tampão pode fechar o canal interno formado pela parede interna de recipiente perfurada. Esse tampão incluirá uma ou mais aberturas para permitir que o fluido flua para dentro do canal interno.

[0038] O tamanho das perfurações na parede interna de recipiente e na parede externa de recipiente será selecionado de modo a permitir o fluxo uniforme de reagente (ou reagentes) e produto (ou produtos) através do catalisador enquanto se mantém o catalisador dentro do recipiente. Portanto, será compreendido que seus tamanhos dependerão do tamanho das partículas do catalisador que é usado. Em uma disposição alternativa as perfurações podem ser dimensionadas de modo que as mesmas sejam maiores, mas tenham uma malha de filtro que cobre as perfurações para garantir que o catalisador seja mantido dentro do recipiente anular. Isso permite que perfurações maiores sejam usadas o que facilitará o movimento livre de reagentes sem uma perda significativa de pressão.

[0039] Será compreendido que as perfurações podem ser de qualquer configuração adequada. De fato, onde uma parede é descrita como perfurada tudo que é exigido é que existam meios para permitir que os reagentes e produtos passem através das paredes. Esses podem ser pequenas aberturas de qualquer configuração, as mesmas podem ser fendas, as mesmas podem ser formadas por uma tela de arame, ou por quaisquer outros meios para criar uma superfície porosa ou permeável.

[0040] Embora a superfície de topo que fecha o recipiente seja, em geral, localizada na borda superior da parede interna de recipiente e/ou na parede externa de recipiente, pode ser desejável posicionar a superfície de topo abaixo da borda superior de modo que uma porção da borda superior da parede externa de transportador se estenda acima da superfície de topo. De maneira similar, a superfície de fundo pode ficar localizada na borda inferior da parede interna de recipiente e/ou na parede externa de recipiente ou pode ser desejável posicionar a superfície de fundo de modo que a mesma fique acima da borda de fundo da parede externa de recipiente de modo que a mesma se estenda abaixo da superfície de fundo. Onde a parede externa do transportador se estende acima do topo e/ou da superfície de fundo, isso pode facilitar o empilhamento de recipientes sobre outros. Adicional ou alternativamente, essa configuração pode ser configurada para facilitar a conexão do receptáculo de catalisador aos receptáculos de catalisador adjacentes.

[0041] A superfície de fundo do recipiente anular e a superfície que fecha o fundo do canal interno podem ser formadas como uma unidade única ou as mesmas podem ser duas peças separadas conectadas. A superfície de fundo do recipiente anular e a superfície que fecha o fundo do canal interno podem ser coplanares, mas em uma disposição, as mesmas ficam em planos diferentes. Em uma disposição, a superfície que fecha o fundo do canal interno fica em um plano inferior à superfície de fundo do recipiente anular. Isso pode servir para auxiliar na localização de um receptáculo de catalisador sobre um receptáculo de catalisador disposto abaixo do mesmo. Será compreendido que em uma disposição alternativa, a superfície que fecha o fundo do canal interno pode ficar em um plano superior à superfície de fundo do recipiente anular. Isso pode auxiliar na localização de um receptáculo sobre um receptáculo disposto abaixo do mesmo.

[0042] Em uma disposição alternativa, que é particularmente adequada para um catalisador monolítico, o recipiente é configurado para manter um catalisador monolítico.

[0043] Em uma disposição, o catalisador monolítico é um sólido, em que não há substancialmente nenhum espaço dentro do corpo do monólito que não é ocupado por catalisador. Quando o monólito está em uso em um reator vertical com fluxo descendente, o reagente (ou reagentes) flui para baixo através do tubo de reator, o reagente (ou reagentes) primeiro entra em contato com a face superior do catalisador monolítico e flui através do mesmo em uma direção paralela ao eixo geométrico do receptáculo de catalisador. A vedação do recipiente impede que o reagente (ou reagentes) flua ao redor do monólito e auxilia a direcionar os reagentes para dentro do catalisador. A reação, então, ocorrerá dentro do catalisador monolítico. O produto, então, também fluirá para baixo através do monólito em uma direção paralela ao eixo geométrico do receptáculo de catalisador.

[0044] Na disposição em que o catalisador é um catalisador monolítico, a superfície de topo pelo menos se estenderá para fora do catalisador monolítico e se conectará com a parede externa de transportador. Será compreendido que a superfície de topo pode ser um anel que se estende sobre pelo menos uma porção do catalisador monolítico para a parede externa de transportador.

[0045] Uma vez que o reagente (ou reagentes) e o produto alcançam a superfície de fundo do recipiente os mesmos são direcionados para a parede externa de transportador. Para facilitar esse fluxo, pés podem ser fornecidos dentro do recipiente na face superior da superfície de fundo de modo que, em uso, o monólito de catalisador seja sustentado nos pés e haja um afastamento entre o fundo do monólito de catalisador e a superfície de fundo do recipiente. A parede externa de transportador direciona o reagente (ou reagentes) e o produto para cima entre a superfície interna da parede externa de transportador e a superfície externa do catalisador monolítico até que os mesmos alcancem o lado inferior da superfície de topo. Os mesmos são, então, direcionados pelo lado inferior da superfície de topo, através das aberturas na parede externa de transportador e os mesmos, então, fluem para baixo entre a superfície externa da parede externa de transportador e a superfície interna do tubo de reator onde ocorre transferência de calor.

[0046] Em uma disposição, o catalisador monolítico tem um canal que se estende longitudinalmente através do mesmo. Em geral, o canal ficará localizado no eixo geométrico central do catalisador monolítico.Assim, onde o tubo de reator é de corte transversal circular, o catalisador monolítico dessa disposição será de corte transversal anular. Nessa disposição, em uso, em um reator vertical com fluxo descendente, o reagente (ou reagentes) flui para baixo através do tubo de reator e, assim, primeiro entra em contato com a superfície superior da superfície de topo do recipiente e é direcionado para dentro do canal do monólito. O reagente (ou reagentes), então, entra no catalisador monolítico anular e passa radialmente através do catalisador em direção à superfície externa do monólito de catalisador. Durante a passagem através do monólito de catalisador ocorre a reação. O reagente não reagido e o produto, então, fluem para fora do catalisador monolítico através da superfície externa do mesmo. A parede externa de transportador, então, direciona o reagente e o produto para cima entre a superfície interna da parede externa de transportador e a superfície externa do catalisador monolítico até que os mesmos alcancem a superfície de topo. Os mesmos são, então, direcionados, pelo lado inferior da superfície de topo, através das aberturas na parede externa de transportador e fluem para baixo entre a superfície externa da parede externa de transportador e a superfície interna do tubo de reator em que ocorre transferência de calor.

[0047] Na disposição em que o catalisador monolítico inclui o canal, a superfície de topo pode se estender sobre o catalisador monolítico, mas deixar o canal descoberto. Em outra disposição, a superfície de topo pode se estender através do canal, mas incluirá aberturas nessa região para permitir que o fluido flua.

[0048] Será compreendido que onde o reator é um reator de fluxo ascendente ou está, por exemplo, em uma orientação horizontal, o trajeto de fluxo diferirá daquele descrito acima. No entanto, o princípio do trajeto através do receptáculo de catalisador será como descrito.

[0049] Conforme a pluralidade de receptáculos de catalisador é empilhada dentro do tubo de reator, os reagentes/produtos fluem para baixo entre a superfície externa da parede externa de um primeiro receptáculo e a superfície interna do tubo de reator até que os mesmos entrem em contato com a superfície de topo e vedação de um segundo receptáculo de catalisador e sejam direcionados para baixo para dentro do segundo receptáculo de catalisador. O trajeto de fluxo descrito acima é, então, repetido.

[0050] Seja qual for a disposição usada para o receptáculo de catalisador, a parede externa de transportador pode ser lisa ou a mesma pode ser modelada. Caso a mesma seja modelada, qualquer formato adequado pode ser usado.Os formatos adequados incluem dobras, ondulações e similares. As dobras, ondulações e similares serão, em geral, dispostas longitudinalmente ao longo do comprimento do receptáculo. A conformação da parede externa de transportador aumenta a área de superfície da parede externa de transportador e auxilia na inserção do receptáculo de catalisador no tubo de reator uma vez que a mesma permitirá que qualquer rugosidade de superfície na superfície interna do tubo de reator ou diferenças em tolerâncias em tubos de reator sejam acomodadas.

[0051] Nas configurações em que aberturas estão presentes na parede externa de transportador, as mesmas podem ser de qualquer configuração. No entanto, seu número, tamanho, configuração e localização serão selecionados para garantir que o fluxo do reagente (ou reagentes) e dos produtos não seja impedido ao mesmo tempo em que assegura que a parede externa de transportador tenha material suficiente retido para fornecer a resistibilidade exigida para suportar cargas. Em uma disposição, as aberturas podem ser furos ou fendas.

[0052] As aberturas serão de qualquer tamanho e espaçamento adequado. A seleção de tamanhos adequados dependerá da resistibilidade intrínseca do material a partir do qual o receptáculo de catalisador é produzido, da espessura de material usado, do peso e número de receptáculos de catalisador que devem ser empilhados em um tubo de reator, da queda de pressão observada, do comprimento do tubo de reator e similares. Em uma disposição, as dimensões das aberturas podem ser diferentes para receptáculos de catalisador diferentes em um tubo de reator.

[0053] Exemplos adicionais de receptáculos de catalisador adequados são descritos no documento WO2011/048361 e no documento WO2012/136971, cujos conteúdos são incorporados ao presente documento a título de referência.

[0054] Conforme discutido acima, na presente invenção a maneira em que a configuração do receptáculo contendo catalisador difere pode ser alcançada por qualquer meio adequado. Os meios adequados incluem o tipo de catalisador dentro do receptáculo, a quantidade de catalisador dentro do receptáculo, a quantidade de calor removida do receptáculo ou qualquer combinação desses.

[0055] Em uma disposição, o tipo de catalisador pode ser alterado.Assim, por exemplo, catalisadores diferentes podem ser usados em receptáculos diferentes. Em uma disposição, um catalisador mais ativo pode ser usado em receptáculos em uma porção do tubo do que em outra.

[0056] Em uma disposição, a mudança na configuração pode ser a quantidade de catalisador carregada no receptáculo de catalisador. Conforme explicado acima, em um controle de reação adiabática a temperatura aumenta linearmente com a conversão alcançada Δx de acordo com a equação:

[0057] Assim, a elevação de temperatura adiabática por receptáculo de catalisador será relacionada à conversão realizada por receptáculo de catalisador e a quantidade de conversão será relacionada à quantidade de catalisador mantida no receptáculo de catalisador. Assim, para cada configuração de receptáculo contendo catalisador diferente, é possível calcular quanto catalisador instalar dentro do receptáculo de catalisador para que a elevação de temperatura adiabática alcançada maximize o uso do catalisador dentro do receptáculo de catalisador.

[0058] O carregamento diferente do receptáculo de catalisador pode ser alcançado mantendo-se o tamanho do receptáculo constante e alterando-se a quantidade de carregamento de catalisador no receptáculo de catalisador. Nessa disposição, em que a quantidade de catalisador exigida é insuficiente para preencher o receptáculo, pode ser deixado espaço vazio.Alternativamente, o catalisador pode ser combinado com inertes de modo que o receptáculo seja preenchido com uma mistura de material inerte e catalisador.

[0059] Na alternativa, o tamanho do receptáculo de catalisador pode ser diferente entre as configurações diferentes de modo que a quantidade exigida de catalisador preencha o respectivo receptáculo. Isso pode ser alcançado com o uso de um receptáculo que tenha o mesmo espaço radial para catalisador, mas seja de um comprimento diferente. Em outra disposição, o tamanho do recipiente para manter o catalisador será do mesmo comprimento e as localizações de superfície interna, externa ou tanto interna como externa do recipiente podem ser ajustadas.

[0060] Adicional ou alternativamente, o receptáculo de catalisador contendo catalisador pode diferir na quantidade de calor removida do receptáculo. Em disposições preferenciais de receptáculo de catalisador, após o gás ter passado através do catalisador o mesmo é passado através do espaço anular entre o receptáculo de catalisador e o tubo de reator dentro do qual o receptáculo foi inserido. Variando-se o comprimento da parede externa do transportador, que em algumas configurações é denominada como uma saia vertical, e/ou variando-se a largura do espaço anular, a quantidade de calor removida do gás antes de o mesmo ser passado para o próximo receptáculo de catalisador para reação adicional é variada. Variando-se essa configuração é possível para o percurso de reação em termos de conversão versus temperatura corresponder mais proximamente ao local de taxa de reação ideal. Isso pode ter o benefício de minimizar a quantidade total de catalisador que pode ser exigida a ser instalada dentro do reator.

[0061] Será compreendido que a velocidade do gás no espaço entre a parede externa do receptáculo de catalisador e a parede do tubo afetará a quantidade de transferência de calor que ocorre. Uma velocidade superior oferecerá um coeficiente de transferência de calor superior e, consequentemente, mais transferência de calor ocorrerá. Uma velocidade superior pode ser alcançada reduzindo-se o tamanho do afastamento entre a parede externa de transportador e a parede interna do tubo. Alternativamente, caso menos transferência de calor seja exigida, então, o afastamento entre a superfície externa entre o receptáculo de catalisador e a parede de tubo deve ser aumentada. Assim, o uso de receptáculos de diâmetros diferentes altera o fluxo de gás ao redor dos receptáculos e, consequentemente, a transferência de calor.

[0062] Assim, em uma disposição, o comprimento de receptáculo de catalisador é o mesmo entre os receptáculos e o diâmetro externo é alterado entre as configurações para controlar a transferência de calor.

[0063] Ajustando-se a configuração entre os receptáculos e/ou seus conteúdos, o perfil de temperatura dentro do reator corresponde mais de perto ao perfil de temperatura ideal conforme determinado pelo formato da curva de equilíbrio para a reação particular. Por esses meios a atividade do catalisador pode ser maximizada minimizando, desse modo, o volume de catalisador que é exigido para realizar a reação.

[0064] Também deve ser observado que, uma vez que a taxa de reação cinética é ligada à temperatura de operação, conforme a conversão avança e o equilíbrio pressiona a temperatura de operação mais e mais para baixo a conversão por unidade volume de catalisador é reduzida. Uma vez que a taxa de reação por volume de catalisador vai reduzindo conforme a temperatura de operação reduz, então, também se segue que o calor exotérmico liberado (em uma reação exotérmica) por unidade de volume de catalisador também reduzirá. Portanto, conforme a conversão avança cada receptáculo de catalisador conterá quantidades crescentes de catalisador, assumindo que a conversão por receptáculo de catalisador seja considerada constante, ou caso o volume de catalisador por receptáculo seja constante a quantidade de calor liberado diminuirá conforme a conversão aumenta. Portanto, a transferência de calor desejada por receptáculo de catalisador diminuirá conforme a conversão aumenta. Assim, há um conflito entre dois parâmetros de projeto envolvidos no projeto do receptáculo de catalisador. Conforme a conversão aumenta e a temperatura de operação diminui, o volume de catalisador por receptáculo pode ser aumentado. Isso pode indicar que o comprimento do receptáculo de catalisador precisará aumentar. No entanto, ao mesmo tempo, o calor liberado por receptáculo de catalisador será decrescente e, assim, seria desejável reduzir a área de transferência de calor diminuindo-se o comprimento do receptáculo de catalisador. Isso pode ser ajustado ajustando-se a espessura do leito, ajustando-se a posição dos diâmetros interno e externo do leito e o afastamento anular entre o receptáculo de catalisador e a parede de tubo também pode ser variado para alcançar o perfil de reação ideal a fim de maximizar a taxa de reação e, em última análise, alcançar a conversão de reagente máxima.

[0065] O receptáculo de catalisador da presente invenção pode incluir as disposições de medição de temperatura descritas no documento PCT/GB2015/050214, cujos conteúdos são incorporados ao presente documento a título de referência.

[0066] Em mais uma modalidade adicional, um reator da presente invenção pode ser usado em combinação com um ou mais leitos adiabáticos convencionais. Assim, por exemplo, uma reação em massa pode ser realizada inicialmente em um leito adiabático convencional uma vez que o limite de equilíbrio não será alcançado. A corrente pode, então, ser passada para um reator de acordo da presente invenção. Assim, por exemplo, na produção de trióxido de enxofre, o dióxido de enxofre pode ser passado para um leito fixo adiabático convencional para converter de cerca de 60% a cerca de 70% de dióxido de enxofre. Esse estará operando, pelo menos inicialmente, distante de qualquer restrição de equilíbrio. Nessa disposição, os reagentes podem ser passados para o leito adiabático a uma temperatura que é suficiente para permitir que a reação comece. A reação no leito adiabático provocará, então, uma elevação na temperatura para um nível em que é suficiente para ser adicionado ao reator da presente invenção.

[0067] O aparelho da presente invenção é adequado para uso com qualquer reação limitada pelo equilíbrio. Assim, de acordo com um segundo aspecto da presente invenção é fornecido um processo para realizar uma reação limitada pelo equilíbrio que compreende fornecer reagentes para o reator da presente invenção, que permite que a reação ocorra e recupere produto.

[0068] Exemplos de reações adequadas incluem a oxidação de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre, a produção de amoníaco, a síntese de metanol a partir de monóxido de carbono e hidrogênio, a reação de deslocamento gás-água, a reação de deslocamento gás-água reversa, a produção de estireno, a desidratação de etilbenzeno, a desidrogenação de alcanos, as reações de metanação, ou a reforma de metano com vapor.

[0069] As condições de reação, que incluem temperatura, pressão e taxas de fluxo dependerão da reação que é realizada.

[0070] Onde a reação que é realizada é a oxidação de dióxido de enxofre para produzir trióxido de enxofre com o uso de um catalisador convencional tal como pentóxido de vanádio, a pressão operacional será, em geral, próxima à pressão atmosférica. Em uma disposição o processo pode ser operado em uma pressão de entrada de cerca de 140 kPa (1,4 bar(a)). A conversão inicial pode ocorrer a cerca de 600 °C a cerca de 700 °C e conforme a conversão progride; a curva de equilíbrio move a temperatura de operação para cerca de 380 °C a cerca de 420 °C. Embora o processo tenha sido descrito com o uso de pentóxido de vanádio como o catalisador, será compreendido que qualquer catalisador adequado pode ser usado e que as condições de reação podem mudar com o catalisador selecionado.

[0071] A presente invenção será descrita agora, a título de exemplo, com referência aos desenhos anexos em que: a Figura 1 é um gráfico que ilustra a dependência de constante de equilíbrio na temperatura para a reação de oxidação de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre em uma reação convencional; a Figura 2 é um gráfico que ilustra um perfil de temperatura típico para a oxidação de dióxido de enxofre em um processo da técnica anterior que inclui resfriamento intermediário; a Figura 3 é uma representação esquemática de um sistema de reator da técnica anterior; a Figura 4 é uma representação esquemática de um reator de acordo com a presente invenção; a Figura 5 é uma vista em perspectiva de um exemplo de um receptáculo de catalisador para uso no reator da presente invenção; a Figura 6 é um corte transversal do receptáculo de catalisador da Figura 5 visualizado a partir do lado; a Figura 7 é uma vista em perspectiva de um segundo exemplo de um receptáculo de catalisador para uso no reator da presente invenção; a Figura 8 é uma vista em perspectiva do receptáculo de catalisador da Figura 7 visualizado a partir de baixo; a Figura 9 é um corte transversal parcial do receptáculo de catalisador da Figura 7 visualizado a partir do lado; a Figura 10 é uma representação esquemática do receptáculo 1.catalisador da Figura 7 no lugar em um tubo que ilustra o trajeto de fluxo; a Figura 11 é uma representação esquemática de uma pluralidade de receptáculos de catalisador da Figura 7 localizados em um tubo de reator; a Figura 12 é uma porção ampliada da parte A da Figura 11; e a Figura 13 é um gráfico que ilustra os benefícios da presente invenção.

[0072] Será compreendido que os desenhos são diagramáticos e que itens adicionais de equipamento tais como tambores de refluxo, bombas, bombas de vácuo, sensores de temperatura, válvulas de descompressão, válvulas de controle, controladores de fluxo, controladores de nível, tanques de retenção, tanques de armazenamento, e similares podem ser exigidos em uma instalação comercial. A disponibilização de tais itens auxiliares de equipamento não faz parte da presente invenção e está de acordo com a prática de engenharia química convencional.

[0073] Um exemplo do reator da presente invenção é ilustrado na Figura 4. O reator compreende um invólucro 30 que tem uma entrada 31 para reagentes e uma saída 32 para produtos. O reator inclui uma pluralidade de tubos 33. Qualquer número de tubos pode ser usado. O número de tubos selecionado será determinado pela capacidade de produção da instalação. Uma instalação comercial dimensionada pode compreender milhares de tubos de reator individuais.Para facilidade de ilustração, 5 tubos foram ilustrados. O reator incluirá meios para montar os tubos em posição, mas por simplicidade esses foram omitidos do desenho. De maneira similar os meios para distribuir os reagentes por todos os tubos e meios de coleta no fundo dos reagentes para coletar os produtos e permitir que os mesmos sejam coletados na saída 32.

[0074] Em uso os tubos serão circundados por um fluido de transferência de calor 35. Meios para introduzir e remover o fluido serão, em geral, incluídos, mas esses foram omitidos das janelas. Onde a reação a ser realizada é uma reação exotérmica, o fluido de transferência de calor será um fluido de resfriamento. Assim, o fluido de transferência de calor pode ser qualquer daqueles usados tipicamente que incluem água fervente no lado do invólucro que eleva a pressão alta, tipicamente até 10.000 kPa (100 bar(a)), vapor, fluidos de transferência de calor tais como reatores resfriados com Dowtherm ou sal fundido. Onde a reação é uma reação endotérmica, o fluido de transferência de calor será um fluido de aquecimento.

[0075] Cada tubo 33 incluirá uma pluralidade de transportadores de catalisador que, para os propósitos desse pedido, serão denominados como receptáculos 34. A pilha de receptáculos 34 em cada tubo 33 incluirá pelo menos duas configurações diferentes.

[0076] Um exemplo de um receptáculo de catalisador 34 que pode ser colocado em o, ou em cada, tubo é ilustrado nas Figuras 5 e 6.

[0077] O receptáculo 34 compreende um recipiente anular 41 que tem paredes de recipiente interna e externa perfuradas 42, 43. A parede perfurada 42 define um canal interno 44. Uma superfície de topo 45 fecha o recipiente anular no topo. A mesma é localizada em um ponto em direção ao topo das paredes de recipiente interna e externa 42, 43 do recipiente anular 41 de modo que uma aba 46 é formada. Uma superfície de fundo 47 fecha o fundo do recipiente anular 41 e uma superfície 48 fecha o canal interno 44 formado pela parede interna de recipiente 42. A superfície 48 fica localizada em um plano superior àquele da superfície de fundo 47.

[0078] Uma vedação 49 se estende a partir da superfície superior 45 e um colar vertical 50 é fornecido coaxial ao canal interno 44.

[0079] Um tampão 51 fecha o topo do canal interno 44. As aberturas 52 no tampão permitem o ingresso de fluido.

[0080] Uma parede externa de transportador 53 circunda o recipiente 41. As aberturas 55 permitem que o fluido saia do receptáculo de catalisador.

[0081] O receptáculo de catalisador 34 fica localizado em um tubo de reator 54. O fluxo de gás é ilustrado esquematicamente na Figura 6 pelas setas.

[0082] Detalhes adicionais desse receptáculo de catalisador podem ser encontrados no documento GB1417462.7 depositado em 2 de outubro de 2015, cujos conteúdos são incorporados ao presente documento a título de referência.

[0083] Um receptáculo de catalisador alternativo é ilustrado nas Figuras 7 a 9.Esse receptáculo 34a compreende um recipiente anular 41a que tem paredes de recipiente interna e externa perfuradas 42a, 43a. A parede perfurada 42a define um canal interno 44a. Uma superfície de topo 45a fecha o recipiente anular 41a.A mesma é localizada em um ponto em direção ao topo das paredes de recipiente interna e externa 42a, 43a de modo que uma aba 46a é formada. Uma superfície de fundo 47a fecha o fundo do recipiente anular 41a e uma superfície 48a é localizada em um plano inferior àquele da superfície de fundo 47a. Meios espaçadores na forma de uma pluralidade de depressões 56 são localizados na superfície de fundo 47a do recipiente anular 42a. Furos de drenagem 57 e 58 são localizados na superfície de fundo 47a e na superfície de fundo 48a.

[0084] Uma vedação 49a se estende a partir da superfície superior 45a e um colar vertical 59 é fornecido coaxial ao canal interno 44a.Uma saia vertical corrugada 53a circunda o recipiente anular 41a. As ondulações são achatadas na região L em direção à base do receptáculo 34a.

[0085] Quando a pluralidade de receptáculos de catalisador 34 dessa disposição está localizada dentro de um tubo de reator 54 conforme ilustrado na Figura 11 os mesmos se entrelaçam. O efeito no trajeto de fluxo é mostrado nas Figuras 6 e 7. Detalhes adicionais do receptáculo de catalisador dessa disposição são ilustrados na Figura 12 e descritos no documento WO2011/048361, cujos conteúdos são incorporados ao presente documento atítulo de referência.

[0086] Seja qual for a disposição de receptáculo de catalisador usado, a presente invenção propõe que ao longo do comprimento do tubo hajam pelo menos duas e, usualmente, mais configurações do receptáculo do próprio catalisador e/ou do catalisador localizado dentro do receptáculo. Em uma disposição, o comprimento do receptáculo e, consequentemente, o tamanho do recipiente anular 41 ou 41a que contém catalisador será aumentado. Em uma segunda disposição, a espessura do recipiente anular 41 ou 41a pode ser alterada. Isso pode ser alcançado ajustando-se a posição das paredes do recipiente perfuradas interna 42, 42a e externa 43, 43a. Em mais uma disposição adicional o tamanho radial do receptáculo pode ser mudado de modo que o tamanho do afastamento para a parede de tubo se altere em pontos diferentes no tubo.

[0087] Será compreendido que embora os receptáculos de catalisador tenham sido descritos com referência particular a um uso em um tubo de corte transversal circular o tubo pode ser de corte transversal não circular por exemplo, o mesmo pode ser um reator de placa. Onde o tubo é de corte transversal não circular, o receptáculo será do formato apropriado. Nessa disposição, na modalidade descrita em que um monólito anular é usado, será compreendido que o monólito não será um anel circular e esse termo deve ser interpretado adequadamente.

[0088] A presente invenção será descrita agora a título de exemplo com referência à produção de trióxido de enxofre pela oxidação de dióxido de enxofre.

EXEMPLO COMPARATIVO 1

[0089] Nesse exemplo, os tubos de reator são carregados com receptáculos de catalisador idênticos. A seleção do projeto do receptáculo tem que ser um compromisso entre garantir que ocorra reação suficiente para alcançar a conversão desejada ao mesmo tempo em que garante que a temperatura descarga do reator tubular é suficientemente baixa para atender à temperatura de equilíbrio que determina a conversão total de SO2 para SO3.

[0090] Nesse exemplo, uma conversão alvo de 99,5% foi selecionada. Uma vez que a temperatura de equilíbrio para alcançar essa conversão é de cerca de 390 °C, o gás que descarrega do reator precisa estar em uma temperatura inferior a essa caso a conversão desejada deva ser alcançada.

[0091] Com base nisso definidas para o reator tubular: Temperatura de entrada Pressão de entrada Concentração de SO2 de entrada Conversão de SO2 para SO3 Volume de catalisador exigido Projeto de Reator Número de zonas (Cada zona é definida como contendo o mesmo projeto de receptáculo de catalisador) Diâmetro de reator7 m Comprimento do tubo30 m (Devido a limitações no comprimento total de tubo é provável que isso exija um mínimo de 2 ou, possivelmente, 3 reatores em série) Desvio médio de MRL90 °C (Isto é definido abaixo) Desvio máximo de MRL120 °C

[0092] Conforme discutido acima, para reações limitadas pelo equilíbrio, é possível calcular o percurso de reação ideal que maximiza a taxa de reação conforme a conversão progride. Isto é tipicamente plotado como conversão versus temperatura de modo que a conversão progrida na temperatura de operação que proporciona a taxa de reação cinética máxima possa ser lida a partir desse gráfico (essa é mostrada na Figura 13 como uma linha tracejada). Essa temperatura ideal é conhecida como o Local de Taxa Máxima (MRL).

[0093] Pode haver meios diferentes de caracterizar a eficiência da reação em termos de quão bem o catalisador é utilizado. A eficiência máxima seria alcançada caso a temperatura de reação por toda a reação idealmente correspondesse ao MRL. Na realidade haverá sempre algum catalisador que opera nas temperaturas acima e abaixo do MRL e isso representará uma perda de eficiência uma vez que a taxa de reação cinética por unidade de volume de catalisador reduzirá quanto mais longe do MRL o catalisador for operado.

[0094] Para os receptáculos de catalisador há uma temperatura de entrada para cada leito de catalisador dentro do receptáculo e uma temperatura de saída, portanto, é necessário adotar como uma medida de eficiência de utilização de catalisador a média do valor absoluto de desvio da temperatura de entrada e saída para cada leito de catalisador a partir da temperatura ideal determinada pelo MRL.

[0095] Assim, onde um único projeto de receptáculo de catalisador é usado por todo o reator, o desvio médio dos valores absolutos das temperaturas de entrada/saída (em uma base absoluta) a partir do valor ideal relevante para a conversão naquele ponto no reator é 90 °C.

[0096] Conforme ilustrado na Figura 13, as linhas diagonais que mostram a temperatura de operação versus a conversão poderiam ser +/- 90 °C. Novamente a temperatura máxima para uma dada conversão será limitada pela temperatura de equilíbrio e a diferença entre MRL e temperatura de equilíbrio pode ser inferior a 90 °C, assim, dependendo da posição no reator, o desvio de temperatura pode ser +30 °C/-120 °C, por exemplo.

EXEMPLO 2

[0097] O Exemplo 2 é similar ao Exemplo Comparativo 1 exceto pelo fato de que o reator contém diversas zonas de receptáculos de catalisador, o projeto de receptáculo em cada zona é otimizado para garantir que a temperatura suba por leito de catalisador e que a queda de temperatura alcançada durante a transferência de calor para o lado do invólucro do reator sejam tais que o volume de catalisador exigido seja otimizado garantindo-se que o catalisador opera tão próximo à temperatura ideal quanto possível.

[0098] As condições de entrada seguintes foram definidas para o reator tubular:

[0099] Portanto, pode ser visto como operar muito mais próximo ao MRL alcança maior utilização do catalisador e, portanto, reduz o volume de catalisador exigido para um certo volume de produção.

[00100] A tabela abaixo detalha o projeto de receptáculos decatalisador em um tubo usado no Exemplo 2

Claims

1.Reator que tem um invólucro (30) compreendendo: um ou mais tubos de reator (33) localizados dentro do invólucro (30), o tubo ou tubos de reator (33) compreendendo uma pluralidade de receptáculos de catalisador (34, 34a) contendo catalisador; meios para fornecer um fluido de transferência de calor (35) para o invólucro (30) do reator de modo que o fluido de transferência de calor (35) entre em contato com o tubo ou tubos (33); uma entrada (31) para fornecer reagentes para os tubos de reator (33); e uma saída (32) para recuperar produtos a partir dos tubos de reator (33); caracterizado pelo fato de que: a pluralidade de receptáculos de catalisador (34, 34a) contendo catalisador dentro de um tubo (33) compreende receptáculos de catalisador (34, 34a) contendo catalisador de pelo menos duas configurações, em que os receptáculos de catalisador (34, 34a) contendo catalisador diferem no tipo de catalisador dentro do receptáculo, na quantidade de catalisador dentro do receptáculo, na quantidade de calor removida a partir do receptáculo ou combinações desses, em que o receptáculo de catalisador (34) compreende: um recipiente anular (41) compreendendo catalisador, o recipiente anular com uma parede interna de recipiente perfurada (42) definindo um canal interno (44), uma parede externa de recipiente perfurada (43), uma superfície de topo (45) que fecha o recipiente anular (41) e uma superfície de fundo (47) que fecha o recipiente anular (41); uma superfície (48) que fecha o fundo do canal interno (44) formado pela parede interna de recipiente (42) do recipiente anular (41), uma parede externa de transportador (53) que se estende da superfície de fundo (47) do recipiente à superfície de topo (45); uma vedação (49) que se estende a partir do recipiente por uma distância que se estende além da parede externa de transportador (53); em que a parede externa de transportador (53) tem aberturas (55) localizadas abaixo da vedação (49).

2.Reator de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que há três, quatro, cinco, seis, sete, oito, nove ou dez configurações diferentes de receptáculos de catalisador (34, 34a) contendo catalisador.

3.Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas configurações de receptáculos de catalisador (34, 34a) contendo catalisador compreendem o uso de catalisadores diferentes.

4.Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas configurações de receptáculos de catalisador (34, 34a) compreendem uma mudança na quantidade de catalisador carregada no receptáculo de catalisador.

5.Reator de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a mudança na quantidade de catalisador carregada no catalisador transportado é alcançada alterando-se a quantidade de catalisador carregada no receptáculo de catalisador (34, 34a) e preenchendo-se o receptáculo com material inerte.

6.Reator de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a mudança na quantidade de catalisador carregada no receptáculo de catalisador (34, 34a) é alcançada alterando-se o comprimento do receptáculo (34, 34a).

7.Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que as pelo menos duas configurações de receptáculos de catalisador (34, 34a) compreendem alterar o diâmetro do transportador de modo que quando o mesmo é carregado dentro de um tubo (33), o espaço anular entre o receptáculo de catalisador (34, 34a) e o tubo de reação (33), dentro do qual o mesmo deve ser inserido, é alterado.

8.Sistema de reator caracterizado pelo fato de que compreende um reator como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7 e um ou mais leitos adiabáticos convencionais, em que o sistema é preferencialmente configurado de modo que uma reação em massa possa ser realizada inicialmente em um leito adiabático convencional antes de ser passada para um reator como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.

9.Processo para realizar uma reação limitada pelo equilíbrio caracterizado pelo fato de que compreende fornecer reagentes para o reator como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7, ou um sistema de reator como definido na reivindicação 8, que permite a ocorrência da reação e a recuperação do produto.

10.Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o processo é a oxidação de dióxido de enxofre para trióxido de enxofre, a produção de amoníaco, a síntese de metanol a partir de monóxido de carbono e hidrogênio, a reação de deslocamento gás-água, a reação de deslocamento gás-água reversa, a produção de estireno, a desidratação de etilbenzeno, a desidrogenação de alcanos, reações de metanação ou reforma de metano com vapor.

11.Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a reação realizada é a oxidação de dióxido de enxofre para produzir trióxido de enxofre, a pressão operacional será, em geral, operada em uma pressão de entrada de cerca de 140 kPa (1,4 bar(a)), com conversão inicial ocorrendo a cerca de 600 °C a cerca de 700 °C e conforme a conversão progride, a temperatura reduz para cerca de 380 °C a cerca de 420 °C.