BR112019008432B1 - Tubo de catalisador para reforma - Google Patents

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Abstract

A invenção é direcionada a um novo desenho para tubos de catalisador, o que torna possível aplicar o conceito de reforma regenerativa em reformadores a vapor tendo entradas e saídas de tubos de catalisador em lados opostos da câmara de forno. O tubo de catalisador compreende uma entrada para o gás de processo para entrar no tubo de catalisador e uma saída para o gás de processo para sair do tubo de catalisador, cuja entrada e saída estão localizadas em extremidades opostas do tubo de catalisador. O tubo de catalisador compreende ainda um primeiro canal anular compreendendo o catalisador, um segundo canal anular para o gás de processo fluir em contra-corrente ou co-corrente para o gás de processo que flui através do primeiro canal anular.

Description

[0001] A invenção é direcionada a um tubo de catalisador, um reator multitubular, tal como um reformador de vapor, compreendendo pelo menos um dos ditos tubos de catalisador e um método para conduzir um processo catalítico tal como reforma de vapor.
[0002] Isto é conhecido para conduzir processos catalíticos em reatores multitubulares. Um exemplo bem conhecido é o processo catalítico da reforma a vapor.
[0003] A reforma a vapor é um processo catalítico, em que uma carga de hidrocarboneto (gás de alimentação) é convertida em uma mistura de monóxido de carbono e gás hidrogênio (chamado gás de processo) na presença de um catalisador à base de metal, tipicamente níquel. A reação de conversão é fortemente endotérmica e precisa ser conduzida em altas temperaturas, tipicamente pelo menos 700 °C.
[0004] A conversão catalítica do gás de processo pode ser conduzida em um reator multitubular de um forno industrial ou aquecedor de combustão. Por exemplo, a reforma a vapor é realizada em um reformador a vapor. Um aquecedor de combustão ou forno industrial (como um reformador a vapor) tem essencialmente duas seções principais: o forno (seção radiante) e o sistema de recuperação de calor (seção de convecção). A seção radiante compreende uma câmara de forno com queimadores, que podem ser colocados no teto (um forno de topo), no piso (forno de fundo) e / ou na superfície lateral (forno de queima lateral) da câmara do forno. Os queimadores produzem então o calor necessário por combustão de combustível. A seção radiante compreende ainda vários tubos, em que o catalisador é carregado, para permitir o fornecimento de calor suficiente ao catalisador para que ocorra a reação catalítica endotérmica. Os tubos na seção radiante em que a reação de conversão ocorre são chamados de tubos de catalisador. Vários tubos de catalisador são tipicamente inseridos na seção radiante. A seção de convecção contém vários trocadores de calor para recuperação de calor. O gás de combustão quente que sai da seção radiante passa por esses trocadores de calor, que são normalmente usados para pré-aquecimento de matéria-prima, aquecimento de água e produção de vapor.
[0005] A saída dos tubos carregados com catalisador é a zona onde o gás de processo alcança sua temperatura mais alta em todo o processo de conversão catalítica, normalmente acima de 880 °C, até 950-980 °C. Consequentemente, o gás de processo que sai da seção de catalisador dos tubos de catalisador pode ser considerado como uma valiosa fonte de calor de alta energia.
[0006] Tradicionalmente, em reformadores a vapor, o gás de processo que sai dos tubos de catalisador é encaminhado via coletores e linhas de transferência para uma caldeira, onde o gás de processo é resfriado de mais de 880 °C (tipicamente 880-950 °C) para uma temperatura inferior a 350 °C produzindo vapor de alta qualidade. Este vapor pode então ser usado como vapor de processo para a reação de reforma de vapor, vapor de exportação para a unidade de produção circundante ou até mesmo produção de energia. No entanto, uma desvantagem de produzir vapor deste modo é que não é a maneira mais eficiente em termos energéticos de reciclar calor do gás de processo a alta temperatura.
[0007] O gás de processo que sai dos tubos de catalisador também pode ser usado como fonte de calor para a reação de reforma. Este processo também pode ser referido como conversão catalítica regenerativa, uma vez que utiliza parte do calor de alto valor que o gás de processo contém quando deixa a zona catalítica para fornecer parte do calor da reação. Na conversão catalítica regenerativa, ocorre a troca de calor entre o gás de processo quente que sai da zona catalítica dos tubos de catalisador e o gás de processo sendo convertido na parte a montante da zona catalítica. Esta estratégia pode ser usada vantajosamente para diminuir o suprimento de calor externo (através da combustão de combustível e gás residual na caixa de fogo), aumentar a eficiência da caixa de fogo e reduzir o custo do equipamento de troca de calor necessário para a recuperação de calor na saída do reformador e na seção de convecção. Um exemplo do processo de conversão catalítica regenerativa na reforma é, por exemplo, conhecido a partir do documento WO 2011/088982. Nesse caso, o processo é chamado de reforma regenerativa.
[0008] Dois tipos gerais de reformadores a vapor podem ser distinguidos em relação à maneira como as entradas e saídas do tubo de catalisador estão orientadas na câmara do forno.
[0009] Nos reformadores a vapor do primeiro tipo (tipo 1), tanto as entradas de gás de processo como as saídas de gás de processo dos tubos de catalisador estão localizadas no mesmo lado do forno. Cada tubo de catalisador é inserido na câmara do forno, de modo que se estende através de apenas uma parede do forno. O gás entrará na câmara do forno através da parede da câmara do forno, fluirá através da câmara do forno, e então retornará à mesma parede do forno e sairá da câmara do forno novamente. Geralmente, os tubos do catalisador são projetados de tal forma que o gás do processo flui em um caminho em forma de U através da câmara do forno. Um exemplo deste tipo de reformador a vapor é por exemplo dado na EP 2 223 739 A1.
[00010] Nos reformadores a vapor do segundo tipo (tipo 2), as entradas do tubo do catalisador estão localizadas em uma extremidade da câmara do forno, enquanto as saídas do tubo do catalisador estão localizadas na outra extremidade oposta da câmara do forno. Nos reformadores tipo 2, os tubos catalisadores são inseridos na câmara do forno de tal maneira que eles se estendem através de duas paredes opostas do forno. Geralmente, os tubos catalisadores são projetados como tubos alongados retos, de tal forma que o gás flui através da câmara do forno de uma extremidade à outra em um caminho relativamente reto. Um exemplo deste tipo de reformador a vapor é, por exemplo, dado no documento WO 2014/040815.
[00011] A diferença no projeto do tubo catalisador descrito acima é um resultado direto da diferença no projeto geral dos dois tipos de reformadores a vapor. Como tal, não é possível renovar um reformador de vapor de um tipo para encaixar os tubos de catalisador projetados para o outro tipo. Da mesma forma, os tubos catalisadores projetados para reformadores a vapor de um tipo não podem ser usados ou renovados para uso em reformadores a vapor do outro tipo.
[00012] Isso é conhecido para aplicar o conceito de reforma regenerativa em reformadores a vapor tipo 1. Para este propósito, um projeto de tubo específico foi feito com base em reatores de tubo de campo (também conhecido como tubo de baioneta). Neste projeto, o tubo de catalisador consiste em um tubo externo que é fechado em uma extremidade externa e ainda em um tubo interno (5,15) que é aberto em ambas as extremidades externas, cujo tubo interno (5,15) é recebido coaxialmente o tubo externo. Este projeto é por exemplo descrito no WO 95/11745 e na US 2014/0196875. O projeto baseia-se no tubo em um conceito de tubo onde um arranjo anular do reator permite a troca de calor entre o gás de processo quente saindo do leito catalítico e o gás de processo sendo convertido na parte a montante do leito catalítico.
[00013] Embora tenham sido feitas tentativas para aplicar o conceito de reforma regenerativa em reformadores a vapor do tipo 2 usando o projeto tradicional acima, o sucesso tem sido limitado e não tem sido amplamente aplicado. Além disso, não foi possível renovar os reformadores a vapor existentes para implementar essa tecnologia, a menos que todo o sistema de entrada / saída também seja reformado de forma que as entradas e saídas estejam localizadas no mesmo lado (assim efetivamente reformando o reformador a vapor de reformador a vapor tipo 1 - que é uma reforma muito drástica e complexa).
[00014] Um objeto da invenção é, portanto, aplicar o conceito de reforma regenerativa em reformadores a vapor do tipo 2. Em particular, é um objetivo da invenção aplicar o conceito de reforma regenerativa em reformadores a vapor do tipo 2 já existentes.
[00015] Um outro objeto da invenção é proporcionar um tubo de catalisador em que o catalisador possa ser facilmente alterado e / ou substituído durante o tempo de parada do reformador de vapor.
[00016] Um outro objeto da invenção é proporcionar um tubo de catalisador que tenha boa resistência à expansão diferencial.
[00017] Um outro objeto da invenção é proporcionar um tubo de catalisador em que parâmetros tais como temperatura e pressão podem ser medidos facilmente sem perturbar a hidrodinâmica na zona catalítica.
[00018] Pelo menos um destes objetos foi atingido proporcionando um tubo de catalisador para utilização em um aquecedor de combustão ou forno industrial (por exemplo, para utilização em um reformador, de preferência em um reformador de vapor) compreendendo - uma entrada de tubo de catalisador para o gás de processo entrar no tubo de catalisador e uma saída do tubo de catalisador para o gás de processo sair do tubo de catalisador, cuja entrada e saída estão localizadas nas extremidades opostas do tubo de catalisador; - um tubo de reator externo (1,11); - um tubo interno (5,15) que se estende coaxialmente dentro do tubo externo do reator (1,11); - uma fronteira (3,13) localizada entre a parede interna do tubo externo do reator (1,11) e a parede externa do tubo interno (5,15); - um primeiro canal anular para converter cataliticamente gás de processo, canal esse que é definido pela parede interna do tubo do reator externo (1,11) e a parede exterior da fronteira (3,13), canal esse que é carregado com material catalisador; - um segundo canal anular para o gás de processo fluir em contracorrente ou cocorrente para o gás de processo que flui através do primeiro canal anular, cujo segundo canal anular é definido pela parede interna da fronteira (3,13) e a parede externa do tubo interno (5,15); - uma barreira de entrada (4,14) na extremidade de entrada do tubo de catalisador para impedir que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) do segundo canal anular e tubo interno (5,15) na extremidade de entrada do tubo catalisador; - uma barreira de saída (6, 16) na extremidade de saída do tubo de catalisador para evitar que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do primeiro canal anular e de um dos segundos canal anular e tubo interno (5 15), enquanto permite que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11) do outro do segundo canal anular e tubo interno (5,15); em que o tubo interno, o primeiro canal anular e o segundo canal anular tem, cada um, uma abertura no lado de entrada do tubo de catalisador e uma abertura no lado de saída do tubo de catalisador, em que a entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do primeiro canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador; a abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador ou à abertura do tubo interno na extremidade de saída do tubo de catalisador ; a abertura do segundo canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador; e quer a abertura do tubo interno (5,15) na extremidade de saída do tubo de catalisador, quer a abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador.
[00019] Os inventores descobriram que, proporcionando um novo desenho para os tubos catalisadores, é possível aplicar o conceito de reforma regenerativa em reformadores a vapor tipo 2 sem ter que renovar outras partes do reformador a vapor. Além disso, a fronteira (3,13) fornece os internos do tubo de catalisador com maior resistência à expansão diferencial, como este elemento pode ser livre para expandir.
[00020] Um aspecto importante de fazer um novo projeto para um tubo catalisador é que um equilíbrio correto deve ser feito entre a atividade do catalisador na zona catalítica (no primeiro canal anular), a queda de pressão nos diferentes canais (que determina parcialmente a velocidade de o fluxo de gás do processo através dos canais) e garantindo uma troca de calor adequada entre os canais. Os inventores descobriram que a presença do tubo interno (5,15) fornece um meio para ajustar as condições de fluxo no segundo canal anular, de tal modo que uma troca de calor eficiente é obtida entre o primeiro e o segundo canal anular.
[00021] Uma outra vantagem de realizar a reforma regenerativa usando um fluxo em dois canais anulares é que tal configuração permite uma alta velocidade do gás de processo através dos canais. Uma velocidade tão alta pode aumentar a taxa de transferência de calor e, assim, a eficiência da troca de calor entre os fluxos de gás do primeiro e segundo canal anular.
[00022] Os inventores perceberam ainda que devido à descoberta de catalisadores melhorados nos últimos anos, o volume de catalisador necessário nos tubos de catalisador já não representa uma restrição intransponível no desenho do tubo de catalisador. Consequentemente, um primeiro canal anular, tal como definido acima, foi capaz de proporcionar uma zona catalítica suficientemente grande para conduzir a reação de reforma.
[00023] Considerando o acima, os inventores descobriram assim que uma configuração em que o tubo catalisador compreende um tubo interno (5,15) (para gás de processo para sair do tubo de catalisador e para melhorar a troca de calor) e dois canais anulares separados por um limite (3, 13) (um para manter o catalisador, o outro para fornecer calor à zona catalítica) pode fornecer uma boa combinação de atividade catalítica, troca de calor e queda de pressão aceitável. Verificou-se que isto era mesmo o caso quando se tem que usar as dimensões dos insertos de tubo de catalisador dos reformadores de vapor existentes, tornando assim possível renovar esses reformadores de vapor.
[00024] Embora a invenção seja aqui ilustrada e exemplificada em relação a reatores reformadores e ao processo de reforma a vapor, o tubo reator da invenção também pode ser usado em outros tipos de reatores multitubulares e processos catalíticos. Processos catalíticos além da reforma também podem se beneficiar da configuração dos tubos catalíticos da invenção, porque a configuração específica permite a troca de calor entre o gás de processo quente saindo da zona catalítica dos tubos de catalisador e o gás de processo sendo convertido na parte a montante da zona catalítica. Assim, o gás de processo que sai da zona catalítica do tubo de catalisador pode ser utilizado como fonte de calor para a reação catalítica. Tal processo catalítico é chamado de conversão catalítica regenerativa. Isto é vantajoso para qualquer processo catalítico que é conduzido em um tubo de catalisador em um aquecedor de queima ou forno industrial. Tal processo catalico tipicamente conduzido a altas temperaturas de, por exemplo, pelo menos 400 °C ou pelo menos 500 °C. De preferência, o aquecedor de combustão ou forno industrial é um reformador, ainda mais preferencialmente um reformador de vapor.
[00025] A Figura 1 mostra uma concretização do tubo de catalisador de acordo com a primeira configuração de base da invenção. A direção na qual o gás de processo flui durante a operação do reformador de vapor é indicada por setas.
[00026] A figura 2 mostra uma seção transversal de um tubo de catalisador de acordo com a invenção. A seção transversal é tomada perpendicularmente ao eixo longitudinal do tubo de catalisador.
[00027] A Figura 3 mostra uma concretização do tubo de catalisador de acordo com a primeira configuração de base da invenção, em que o tubo interno se estende através da barreira de saída. A direção na qual o gás de processo flui durante a operação do reformador de vapor é indicada por setas.
[00028] A Figura 4 mostra uma concretização do tubo de catalisador de acordo com a segunda configuração de base da invenção (direita). A direção na qual o gás de processo flui durante a operação do reformador de vapor é indicada por setas. No lado esquerdo da figura 4, é proporcionada uma possível seção transversal do tubo de catalisador.
[00029] A Figura 5 mostra as seções transversais de alguns possíveis tubos de catalisador de acordo com a invenção. A seção transversal é tomada perpendicularmente ao eixo longitudinal do tubo de catalisador.
[00030] O termo "canal anular", tal como aqui utilizado, refere-se ao canal externo formado por posicionamento de um primeiro tubo ou corpo semelhante a tubo coaxialmente dentro de um segundo tubo ou corpo tipo tubo. A forma do canal é assim determinada pela forma da parede externa do primeiro tubo ou corpo tipo tubo (que é a barreira no caso do primeiro canal anular; e o tubo interno no caso do segundo canal anular) e pela forma da parede interna do segundo tubo ou corpo tipo tubo (que é o tubo catalisador no caso do primeiro canal anular e o limite no caso do segundo canal anular). No caso de dois tubos redondos, a seção transversal do canal anular terá a forma de um anel circular. No entanto, como descrito abaixo, a seção transversal do tubo interno e do limite não precisa ser circular. Por conseguinte, o canal anular pode ter várias formas. Estas formas podem também variar ao longo do comprimento do tubo de catalisador.
[00031] Por conveniência, o termo "gás de processo" como aqui utilizado pode referir-se ao gás no reator em qualquer fase, isto é, ao gás que entra na entrada do tubo do reator, o gás que passa através do primeiro e segundo canal anular, através do tubo interno e ao gás que sai do reator através da saída do tubo. Mais precisamente, entretanto, o termo “gás de alimentação” pode ser usado para se referir ao gás que entra na entrada do tubo do reator antes da zona do catalisador, enquanto se usa o termo “gás de processo” para gás que foi (parcial ou totalmente) convertido catalisador.
[00032] O tubo catalisador é adequado para conversão catalítica regenerativa em geral. Em particular, o tubo catalisador é projetado para reforma de vapor regenerativo. No caso da reforma a vapor, o tubo catalisador é um tubo reformador.
[00033] A configuração descrita acima para o tubo de catalisador, com o tubo interno (5,15) sendo localizado dentro do tubo externo do reator (1,11) com uma fronteira (3,13) entre os dois tubos, fornece o tubo catalisador da invenção com essencialmente três canais (viz. o primeiro canal anular, segundo canal anular e o tubo interno (5,15)), com cada um dos canais tendo duas aberturas (a saber, um na extremidade de entrada do tubo catalisador e um na a extremidade de saída do tubo de catalisador).
[00034] A barreira de entrada e de saída (6, 16) proporciona que os três canais no tubo de catalisador (isto é, o primeiro e o segundo canal anular e o tubo interno) sejam ligados uns aos outros das seguintes maneiras.
[00035] O tubo de catalisador pode basicamente ter uma das duas configurações de base. Na primeira configuração de base, o gás de processo no primeiro canal anular flui em contra-corrente para o gás de processo no segundo canal anular e em co-corrente com o gás de processo no tubo interno. Na segunda configuração de base, o gás de processo no primeiro canal anular flui em contra-corrente para o gás de processo no tubo interno, eem co-corrente com o gás de processo no segundo canal anular. A primeira configuração de base é preferida, pois a eficiência será mais alta devido à troca de calor efetiva entre o primeiro e o segundo canal anular. Além disso, a primeira configuração de base tem a vantagem do desenho mecânico do tubo de catalisador ser menos complexo do que o da segunda configuração de base.
[00036] De modo a estabelecer a direção de fluxo acima mencionada, o tubo de catalisador de acordo com a primeira configuração de base tem uma barreira de saída (6,16) na extremidade de saída do tubo de catalisador para impedir que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do primeiro canal anular e do segundo canal anular, enquanto permite que o gás de processamento saia do tubo do reator externo (1,11) a partir do tubo interno (5,15). Assim, de acordo com esta configuração, a abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador; e a abertura do tubo interno (5,15) na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador.
[00037] Cada canal tem duas aberturas, uma na extremidade de entrada e uma na extremidade de saída do tubo de catalisador. De acordo com a primeira configuração de base, a entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do primeiro canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que entra no tubo de catalisador fluirá primeiro através do primeiro canal anular. A abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que sai do primeiro canal anular entrará subsequentemente no segundo canal anular. A abertura do segundo canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que sai do segundo canal anular entrará posteriormente no tubo interno (5,15). A abertura do tubo interno (5,15) na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que sai do tubo interno (5,15) poderá subsequentemente sair do tubo de catalisador.
[00038] Por conseguinte, quando se utiliza o tubo de catalisador de acordo com a primeira configuração de base em um processo de conversão catalítica (por exemplo, reforma de vapor), o gás de processo entrará no tubo de catalisador através da sua entrada, fluindo subsequentemente através do primeiro canal anular para a outra (saída) extremidade do tubo de catalisador (sendo assim submetido ao catalisador a alta temperatura), em seguida, fluindo através do segundo canal anular para a extremidade de entrada do tubo de catalisador (trocando calor com o gás de processo que flui através do primeiro canal anular) e, em seguida, fluindo através do tubo interno (5,15) para a saída do tubo de catalisador. O gás de processo no segundo canal anular, portanto, flui na direção oposta do primeiro canal anular e tubo interno (5,15). Assim, ocorrerá uma troca de calor em co-corrente entre o gás de processo que flui através do primeiro canal anular e o gás de processo que flui através do segundo canal anular.
[00039] Para estabelecer a direção do fluxo mencionado acima para a segunda configuração de base, o tubo de catalisador tem uma barreira de saída (6,16) na extremidade de saída do tubo de catalisador para impedir que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11 ) a partir do primeiro canal anular e do tubo interno (5,15), enquanto permite que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do segundo canal anular. Assim, de acordo com esta configuração, a abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de saída do tubo de catalisador; e a abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador.
[00040] De acordo com a segunda configuração de base, a entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do primeiro canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que entra no tubo de catalisador fluirá primeiro através do primeiro canal anular. A abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno na extremidade de saída do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que sai do primeiro canal anular entrará subsequentemente no tubo interno. A abertura do segundo canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que sai do tubo interno entrará posteriormente no segundo canal anular do tubo interno. A abertura do segundo canal anular (5, 15) na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador. Assim, o gás de processo que sai do segundo canal anular (5, 15) será subsequentemente capaz de sair do tubo de catalisador.
[00041] Por conseguinte, quando se utiliza o tubo de catalisador de acordo com a segunda configuração de base em um processo para conversão catalítica (por exemplo, reforma de vapor), o gás de processo entrará no tubo de catalisador através da sua entrada, fluindo subsequentemente através do primeiro canal anular para o outro (saída) extremidade do tubo de catalisador (sendo desse modo submetido ao catalisador a alta temperatura), depois fluindo através do tubo interno para a extremidade de entrada do tubo de catalisador e depois fluindo através do segundo canal anular para a saída do tubo de catalisador (trocando calor com o gás de processo que flui através do primeiro canal anular). O gás de processo no segundo canal anular, portanto, flui na mesma direção que o primeiro canal anular e tubo interno (5,15). Assim, a troca de calor ocorrerá entre o gás de processo que flui através do primeiro canal anular e o gás de processo que flui através do segundo canal anular. O desenho adicional do tubo de catalisador é discutido abaixo.
[00042] Um tubo de catalisador é um reator alongado em que ocorre uma reação catalítica (por exemplo, a reação de reforma). O tubo de catalisador compreende um eixo longitudinal, que corresponde ao comprimento e direção longitudinal do tubo de catalisador, e um eixo lateral perpendicular ao eixo longitudinal, que corresponde à largura do tubo de catalisador. Um tubo catalisador tem duas extremidades, uma em ambas as extremidades do eixo longitudinal. O tubo de catalisador geralmente tem um corpo tubular alongado, que pode ser essencialmente constituído pelo tubo de reator externo (1,11). O corpo tubular alongado normalmente constitui a maior parte do comprimento do tubo de catalisador.
[00043] O tubo de catalisador tem uma entrada de tubo de catalisador para o gás de processo entrar no tubo de catalisador. Esta entrada é para fornecer gás de processo ao primeiro canal anular. O tubo de catalisador tem ainda uma saída de tubo de catalisador para o gás de processo para sair do tubo de catalisador. A entrada e a saída estão localizadas nas extremidades opostas do tubo do catalisador. Isto significa que a entrada está localizada em uma extremidade do tubo de catalisador (também referida como a extremidade de entrada), enquanto a saída está localizada na outra extremidade do tubo de catalisador (também referida como a extremidade de saída). Por conseguinte, o termo "extremidade de entrada" como aqui utilizado refere-se à extremidade do tubo de catalisador no qual a entrada está localizada, enquanto o termo "extremidade de saída" como aqui utilizado refere-se à extremidade do tubo de catalisador no qual a saída está localizada. No caso de um reformador de combustão de topo, a entrada está normalmente localizada na extremidade superior do tubo de catalisador, enquanto a saída está localizada na extremidade inferior. No caso de um reformador de combustão de fundo, a entrada é normalmente localizada na extremidade inferior do tubo de catalisador, com a saída localizada na extremidade superior. A "extremidade" ou "extremidade de um tubo de catalisador", como usado aqui, refere-se à porção de um tubo de catalisador na sua extremidade ou perto dela. Como tal, também pode ser referido como a "porção final" do tubo de catalisador. Por exemplo, o final de um tubo de catalisador pode perfazer 20% ou menos, tipicamente 10% ou menos, por exemplo, 5% ou menos, do comprimento total do tubo de catalisador. A entrada e / ou a saída podem assim estar localizadas em uma superfície lateral do tubo de catalisador (em particular, numa superfície lateral da porção de extremidade do tubo de catalisador), ou na superfície superior ou inferior do tubo de catalisador.
[00044] O tubo de reator externo (1,11) fornece o primeiro canal anular (onde ocorre a reação catalítica) com sua parede externa. Ao mesmo tempo, o tubo de reator externo (1,11) também pode ser a parede mais externa do tubo de catalisador. O tubo de reator externo (1,11) é de preferência feito de um material de alta condutividade térmica, tal como um metal ou liga de metal, por exemplo, aço inoxidável. O tubo de reator externo (1,11) pode ter uma extremidade afunilada na extremidade de saída do tubo de catalisador. Tal forma pode fornecer suporte para elementos presentes no tubo de catalisador, tais como a barreira de saída (6,16) ou o tubo interno (5,15). Alternativamente, a espessura da parede na parte inferior do tubo pode ser aumentada e / ou usinada para fornecer um suporte, mantendo o diâmetro externo constante ao longo de todo o comprimento do tubo.
[00045] O tubo interno (5,15) se estende coaxialmente dentro do tubo de reator externo (1,11) e forma uma passagem para a saída do tubo de catalisador. O tubo interno (5,15) pode prolongar-se a partir da barreira de saída (6,16) (localizada na extremidade de saída do tubo de catalisador) na direção longitudinal para a extremidade de entrada do tubo de catalisador. Como o gás de processo que sai do segundo canal anular deve ser capaz de entrar no tubo interno (5,15), pela mesma razão, o tubo interno (5,15) não se estende preferencialmente na direção longitudinal além da fronteira (3,13) no final da entrada do reformador. Pelo mesmo motivo, o tubo interno (5, 15) não se estende preferencialmente sobre ou através da barreira de entrada (4,14). Em tal configuração preferida, nenhuma entrada ou saída especial é necessária para o gás de processo fluir do segundo canal anular para o tubo interno (5,15). O tubo interno (5,15) pode ser espaçado da fronetira (3,13) usando, por exemplo, elementos de suporte (8, 18, 9, 19) ou dispositivos de distribuição de fluxo ou uma combinação dos mesmos.
[00046] O tubo interno (5,15) pode ser feito de um material cerâmico ou metal. O tubo interno (5,15) é de preferência feito de um material com baixa condutividade térmica, tal como material cerâmico, metálico ou não metálico. Um material com baixa condutividade térmica é aqui definido como um material com uma condutividade térmica abaixo de 10 W/(m.K) a 800 °C e ainda mais preferencialmente abaixo de 1 W/(m.K) a 800 °C. Isto pode ser facilmente conseguido usando, por exemplo, materiais microporosos. O tubo interno (5,15) pode também ser um conjunto, em que cada parte individualmente pode ser feita de material cerâmico, metálico ou não metálico. De preferência, o material também é resistente à corrosão por carburação e / ou pó de metal. Assim, a troca de calor entre o tubo interno (5,15) e o gás de processo que flui através do segundo canal anular pode ser limitada. Essa troca de calor é geralmente indesejável, porque reduz a quantidade de calor que pode ser transferida do gás de processo no segundo canal anular para o primeiro canal anular. Por conseguinte, pode ser desejável seleccionar um material diferente de metal. No entanto, o metal pode ser adequadamente utilizado, especialmente um metal condutor pobre que seja resistente à corrosão, por exemplo, proporcionando ao metal um revestimento protector (por exemplo, um revestimento cerâmico).
[00047] O tubo interno é um corpo oco alongado para mover fluidos. O tubo interno também pode ser referido como o conduto interno. Em uma concretização preferida, o tubo interno é um tubo redondo, que é um tubo que tem uma seção transversal circular. No entanto, o tubo também pode ser um tubo de forma diferente, tal como um tubo retangular. A este respeito, a forma do tubo refere-se à seção transversal do tubo perpendicular ao eixo longitudinal do tubo. A seção transversal do tubo interno pode ser de várias formas, por exemplo, um quadrado, um retângulo, um oval, um ovóide ou um losango. A seção transversal da fronteira pode também ser em forma de cruz, em forma de estrela ou circular, com uma borda em ziguezague. Tais formas podem ser obtidas com relativa facilidade formando o tubo interno por extrusão de um material cerâmico.
[00048] A forma do tubo interno (5,15) não é particularmente crítica. O tubo interno (5,15) pode ser um tubo essencialmente reto. Alternativamente, o tubo interno (5,15) pode também ter uma forma helicoidal ou forma de turbilhão. Um tubo de forma helicoidal é, por exemplo, conhecido da US 6 620 388 e pode ser aplicado adequadamente na presente invenção. O tubo interno (5,15) pode ser usado para suportar a fronteira (3,13) e, opcionalmente, a estrutura do catalisador (2,12) presa à fronteira. Assim, o tubo interno (5,15) pode proporcionar facilidade de carregamento do reator e ajudar a manter a estabilidade suficiente na operação.
[00049] Para encaixar o tubo interno (5,15) no tubo de catalisador, o tubo interno (5,15) pode ser montado na barreira de saída (6,16). Além disso, ou alternativamente, o tubo interno (5,15) pode ser fixado à fronteira (3,13) usando, por exemplo, elementos de suporte (8,18,9,19) e / ou dispositivos de distribuição de fluxo. O tubo interno (5,15) pode ser espaçado da fronteira (3,13) com elementos de suporte (8,18,9,19) e / ou dispositivos de distribuição de fluxo, preferencialmente de modo a assegurar uma turbulência suficiente e, portanto, uma taxa de trocade calor melhorada entre o gás que flui através do primeiro canal anular e o gás de processo que flui através do segundo canal anular.
[00050] O tubo interno (5,15) pode estar vazio. Geralmente, não é desejável incluir uma embalagem no tubo interno (5,15).
[00051] A fronteira (3,13) está localizada entre a parede interna do tubo de reator externo (1,11) e a parede externa do tubo interno (5,15). Consequentemente, a fronteira (3,13) estende-se coaxialmente dentro do tubo de reator externo (1,11), enquanto o tubo interno (5,15) se estende coaxialmente dentro da fronteira (3,13). A fronteira (3,13) pode prolongar-se a partir da fronteira de entrada na direção longitudinal para a extremidade de saída do tubo de catalisador. Uma vez que o gás de processo que sai do primeiro canal anular deve ser capaz de entrar no segundo canal anular, a fronteira (3,13) não se estende preferencialmente na direção longitudinal para além do tubo de reator externo (1,11) na extremidade de saída do reformador. Pelo mesmo motivo, a fronteira (3,13) não se estende, de preferência, sobre ou através da barreira de saída (6, 16). Em tal configuração preferida, nenhuma entrada ou saída especial é necessária para o gás de processo fluir do primeiro canal anular para o segundo canal anular.
[00052] A fronteira (3,13) forma uma fronteira entre o primeiro canal anular e o segundo canal anular. A fronteira impede que o gás do processo atravesse ou penetre a fronteira (3,13). Para entrar no segundo canal anular, o gás de processo primeiro precisa passar pela zona catalítica do primeiro canal anular. Só então o gás do processo pode entrar no segundo canal anular. A fronteira (3,13) tem duas extremidades (ou aberturas); uma extremidade aberta na extremidade de saída do tubo de catalisador e uma extremidade fechada na extremidade de entrada do tubo de catalisador. A extremidade fechada é fechada pela barreira de entrada (4,14).
[00053] A fronteira é, no seu desenho mais simples, um corpo oco e alongado. A fronteira é formada de modo a proporcionar ao tubo catalisador um primeiro e um segundo canal anular. Por exemplo, a fronteira pode ser uma fronteira tubular. Em uma concretização, a fronteira tem a forma de um tubo redondo, que é um tubo que tem uma seção transversal circular. Contudo, a seção transversal da fronteira pode também ter uma forma diferente, por exemplo, um quadrado, um retângulo ou um losango. A seção transversal da fronteira pode também ser em forma de cruz, em forma de estrela ou circular, com uma borda em ziguezague. Por exemplo, uma fronteira tendo a forma de um tubo quadrado pode ser usada adequadamente. A seção transversal da fronteira, tal como é aqui utilizada, refere-se à seção transversal da fronteira perpendicular ao eixo longitudinal da fronteira. O limite pode ser posicionado como uma luva ao redor do tubo interno.
[00054] Os critérios para selecionar a forma correta do tubo interno e da fronteira podem ser a razão entre a superfície do tubo interno e a superfície da fronteira. Quanto menor essa proporção, maior a proporção de calor sendo transferida para a zona catalítica. O calor trocado com o gás que flui através do tubo interno deve ser levado em conta a esse respeito.
[00055] A fronteira (3,13) pode ser composta por um único corpo oco alongado, tal como um cilindro oco ou um tubo. Contudo, a fronteira (3,13) pode também ser composta por múltiplos corpos ocos, por exemplo, dispositivos tubulares múltiplos, que podem ser empilhados uns sobre os outros na direção longitudinal do tubo de catalisador. Por exemplo, a fronteira (3,13) pode compreender uma montagem contínua de múltiplos corpos ocos ou dispositivos tubulares empilhados uns sobre os outros, em que o dispositivo tubular pode, por exemplo, ter uma forma cônica, cilíndrica ou troncocônica.
[00056] A fronteira (3,13) é de preferência feita de um material de alta condutividade térmica. Isto é desejável, pois a fronteira (3,13) fornece a superfície sobre a qual o calor é trocado entre o gás de processo no primeiro canal anular e o gás de processo no segundo canal anular. O material pode ser metal ou cerâmica.
[00057] Se uma estrutura de catalisador (2,12) está presente no primeiro canal anular, o material de fronteira pode ser o mesmo material que o utilizado para a estrutura de catalisador (2,12). A fronteira (3,13) pode ser espaçada da parede interna do tubo de reator externo (1,11), por exemplo, por meio de elementos de sustentação (8,18,9,19) ou, mais preferencialmente, por um catalisador ou estrutura de catalisador (2,12) no primeiro canal anular.
[00058] O primeiro canal anular é definido pela parede interna do tubo de reator externo (1,11) e a parede externa da fronteira (3,13). No primeiro canal anular, o gás de processo pode fluir da extremidade de entrada do tubo de catalisador para a extremidade de saída do tubo de catalisador. O primeiro canal anular tem uma abertura em cada lado do canal. A primeira abertura é para o gás de processo entrar no primeiro canal anular e está localizada na extremidade de entrada do tubo de catalisador. A segunda abertura é para o gás de processo sair do primeiro canal anular e está localizada na extremidade de saída do tubo de catalisador. O gás de processo que flui através do primeiro canal anular é submetido ao catalisador presente no mesmo. Portanto, a porção do primeiro canal anular que é carregada com catalisador pode aqui também ser referida como a zona catalítica.
[00059] O primeiro canal anular compreende o catalisador para a reação catalítica. O catalisador pode estar presente no primeiro canal anular em qualquer forma adequada. Por exemplo, o catalisador pode estar presente no primeiro canal anular como grânulos de catalisador ou como parte de uma estrutura de catalisador (2,12) (também conhecido como catalisador estruturado). O catalisador promove a reação catalítica (por exemplo, a reação endotérmica de reforma a vapor) que atua como um dissipador de calor para remover uma fração significativa do calor transferido do forno. No caso do catalisador ser um catalisador de reforma a vapor, ele é tipicamente um catalisador à base de níquel e pode ser fornecido em um suporte cerâmico de alta resistência.
[00060] De preferência, o catalisador é um catalisador com alta atividade. Como o volume do primeiro canal anular pode ser relativamente pequeno e a velocidade espacial do gás de processo esperada relativamente alta em comparação com as zonas catalíticas convencionais em tubos de catalisador, uma alta atividade pode compensar um tempo de residência relativamente curto do gás de processo na zona catalítica. Além disso, um catalisador adequado é preferivelmente capaz de suportar o procedimento de carregamento no tubo de catalisador, bem como as tensões geradas pelas condições do processo e os ciclos térmicos suportados durante as operações. Catalisadores de reforma a vapor e estruturas de catalisador (2,12) podem geralmente ser desenhados para ter uma área de superfície geométrica grande e uma pequena queda de pressão uma vez que a permissão de queda de pressão através do reformador de vapor é limitada.
[00061] Exemplos de catalisadores adequados são catalisadores revestidos em uma estrutura ou suporte metálico ou cerâmico. A estrutura ou suporte não está particularmente restrita a uma forma específica, mas é de preferência uma estrutura ou suporte que proporciona maior turbulência e mistura de gás no canal. Por exemplo, uma estrutura adequada pode ser uma pelota. As pelotas adequadas são conhecidas na técnica e têm uma forma tipicamente cilíndrica. As pelotas são tipicamente porosas. Pelotas preferencialmente têm uma alta porosidade. Estruturas adequadas são também conhecidas na técnica, por exemplo estruturas de fluxo cruzado. Por exemplo, uma estrutura adequada pode ser um monólito de favo de mel, fios de malha ou uma espuma. O catalisador pode ser depositado na estrutura por diferentes métodos, incluindo técnicas de revestimento, deposição química de vapor, precipitação direta, etc. Quanto maior a superfície exposta à fase gasosa, melhor para a atividade aparente do catalisador.
[00062] A composição catalítica é selecionada dentre os materiais conhecidos ativos para a reação do catalisador, incluindo mas não restrito a catalisadores à base de metal, onde o metal é selecionado de níquel, rutênio, paládio, irídio, platina, ródio, boro, ósmio, ouro e suas combinações. O perito será capaz de selecionar a composição elementar específica e fração de massa no catalisador para obter atividade suficiente para a reação catalítica.
[00063] Em uma concretização referida, o primeiro canal anular compreende uma estrutura de catalisador (2,12), cuja estrutura pelo menos parcialmente feita de chapas onduladas, elementos com aletas, uma estrutura do tipo espuma e suas combinações. A estrutura do catalisador (2,12) pode ser disposta no tubo do reator de modo que haja turbulência suficiente na fase gasosa para reduzir a quantidade de gás de processo que passa no leito catalítico não convertido. A estrutura pode proporcionar um aumento na mistura do gás de processo na zona catalítica do primeiro canal anular. Por conseguinte, o gás de processo pode ser convertido suficientemente completo a baixa queda de pressão. O catalisador pode ser fornecido sobre a estrutura por qualquer meio adequado. O catalisador pode, por exemplo, ser proporcionado na estrutura fixando-o à superfície da estrutura (por exemplo, por revestimento) ou distribuindo partículas de catalisador ou pelotas por toda a estrutura. O último pode, por exemplo, ser conseguido vertendo as partículas ou pelotas no primeiro tubo anular durante o tempo de inatividade do aquecedor disparado.
[00064] Uma vantagem do uso da estrutura de catalisador descrita acima (2,12) é que a atividade do catalisador é efetivamente aumentada pela estrutura. Isto é desejável porque o gás de processo tem geralmente uma velocidade relativamente alta através da zona catalítica do primeiro canal anular. Este é especialmente o caso em tubos de catalisador a serem usados para renovar os reformadores a vapor existentes. Uma vez que estão presentes efetivamente três canais no tubo de catalisador da invenção, com apenas um destes três canais compreendendo catalisador, o volume da zona catalítica no tubo de catalisador da invenção é relativamente pequeno. Como resultado, quando se utiliza uma taxa de transferência convencional (vazão), a velocidade do gás de processo através do primeiro canal anular será elevada e só haverá tempo limitado para o catalisador converter o gás de processo. No entanto, se uma estrutura de catalisador (2,12) estiver presente no primeiro canal anular, isso pode compensar a alta velocidade do gás e o baixo tempo de contato. Especialmente, a combinação de um catalisador altamente ativo e uma estrutura de catalisador (2,12) pode compensar a desvantagem da alta velocidade do gás de processo. Uma vantagem da velocidade relativamente alta do gás de processo e boa mistura nos canais anulares é que o coeficiente de transferência de calor interno pode ser melhorado e a reação catalítica é assim aumentada em comparação com os tubos de catalisador convencionais com leito de pelotas empacotadas.
[00065] Uma outra vantagem da utilização da estrutura de catalisador descrita acima (2,12) é que pode simplificar o carregamento e a subtração do catalisador durante o tempo de inatividade. A estrutura pode ser concebida e montada de modo a poder ser removida do tubo de catalisador. Neste caso, a fronteira (3,13) pode ser fixada à estrutura do catalisador (2,12), de tal modo que pode ser removido como um todo. Para fornecer uma estrutura de catalisador facilmente removível (2,12), o tubo interno (5,15) é de preferência provido de elementos de rolamento (8,18,9,19) e / ou dispositivos de distribuição de fluxo que suportam a estrutura do catalisador (2, 12). Nessa configuração, a estrutura do catalisador (2,12) e a fronteira (3,13) podem, por exemplo, ser simplesmente removidos deslizando a fronteira (3,13) dos elementos de suporte (8,18,9,19) do tubo interno (5,15).
[00066] O tubo de catalisador pode ainda compreender um suporte de catalisador para manter o catalisador no lugar no primeiro canal anular. Em particular, o suporte de catalisador é posicionado de modo a impedir que o catalisador se mova em direção à extremidade de saída do tubo de catalisador. O suporte do catalisador pode, por exemplo, ser ligado ao tubo de reator externo. O suporte de catalisador pode ser posicionado na abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador. O suporte do catalisador pode ser posicionado diretamente abaixo do suporte de catalisador ou do catalisador. Um exemplo de um suporte de catalisador adequado é uma estrutura de grade. O suporte de catalisador pode ser feito de qualquer material adequado, por exemplo, metal ou cerâmica. Em uma concretização preferida, o suporte de catalisador pode também funcionar como um suporte para o tubo interno, para a fronteira ou para ambos. Consequentemente, o tubo interno, a fronteira ou ambos podem ser fixados no suporte de catalisador. Uma vez que um suporte de catalisador está tipicamente presente nos tubos catalisadores dos reformadores existentes e dos reformadores a vapor (e geralmente dos aquecedores acionados em geral), isto torna o tubo interno e a fronteira particularmente fáceis de implementar nos reformadores existentes. O tubo interno ou fronteira pode também ser mantido por um ou mais dispositivos de retenção separados, por exemplo, no caso de um suporte de catalisador estar ausente.
[00067] No final do primeiro canal anular, pode ser proporcionada uma passagem para permitir que o gás de processo que sai do primeiro canal anular flua para o segundo canal anular. Tal passagem pode estar naturalmente presente usando a configuração descrita acima.
[00068] Uma vantagem adicional do tubo de catalisador da presente invenção é que proporciona a possibilidade de introduzir equipamento de medição para medir parâmetros (em particular temperatura e pressão) dentro do reator sem perturbar a hidrodinâmica no leito catalítico. Isto permite um melhor controle do desempenho do reator em todos os momentos durante a operação. Por exemplo, a diferença de pressão entre a entrada do reator, a montante do catalisador e o segundo canal anular pode ser medida e utilizada para controlar as condições de alimentação no catalisador incluindo, por exemplo, a proporção vapor para carbono, de modo a manter a produtividade mais elevada enquanto minimiza a formação de carbono e o risco de fugas. Outra opção é controlar a operação do forno com base nas leituras da temperatura da fase gasosa no segundo canal anular, por exemplo, diretamente abaixo do leito do catalisador e diretamente na extremidade do dito segundo canal anular apenas no local onde o gás flui para o tubo interno. Deste modo, o desempenho do catalisador pode ser monitorado todo o tempo e a quantidade de energia transferida do gás de processo para a zona de reação (do segundo intervalo anular em direção ao leito catalítico no primeiro espaço anular) pode ser conhecida. Como resultado, sabendo também a temperatura de transição da temperatura do forno (temperatura no local de extração do gás de combustão), é possível controlar a taxa de queima a todo momento, a fim de maximizar o desempenho energético do processo a todo momento em operação. Ao combinar esses métodos de medição e controle, uma otimização on-line do desempenho do forno pode ser adotada.
[00069] O segundo canal anular é definido pela parede interna da fronteira (3,13) e a parede externa do tubo interno (5,15). O segundo canal anular proporciona troca de calor entre o gás que flui através dele e o gás de processo que flui através do primeiro canal anular. No segundo canal anular, o gás de processo flui em co-corrente ou contra- corrente para o gás de processo no primeiro canal anular, isto é, da extremidade de saída do tubo de catalisador para a extremidade de entrada do tubo de catalisador ou na direção oposta. O segundo canal anular tem uma abertura em ambos os lados do canal. A primeira abertura é para o gás de processo entrar no segundo canal anular e no caso da primeira configuração de base estar localizada na extremidade de saída do tubo de catalisador. A segunda abertura é para o gás de processo sair do segundo canal anular e no caso da primeira configuração de base estar localizada na extremidade de entrada do tubo de catalisador.
[00070] Como descrito acima, o segundo canal anular pode compreender elementos de suporte (8, 18, 9, 19) ou dispositivos de distribuição de fluxo ou ambos. Os elementos de suporte (8, 18, 9, 19) podem separar a fronteira (3,13) do tubo interno (5,15), enquanto os dispositivos de distribuição de fluxo podem proporcionar um fluxo ou turbulência desejável no canal.
[00071] A barreira de entrada (4,14) está localizada na extremidade de entrada do tubo de catalisador. A barreira de entrada (4,14) é para impedir que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11) do segundo canal anular e tubo interno (5,15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador. Consequentemente, a barreira de entrada (4,14) irá ao mesmo tempo impedir que o gás de processo entre no segundo canal anular e no tubo interno (5,15) sem primeiro ter fluído através do primeiro canal anular. Em particular, a barreira de entrada (4,14) impede que o gás de processo saia ou entre na parte interna da fronteira (3,13) na extremidade de entrada do tubo de catalisador. Isto pode ser conseguido fechando a abertura da fronteira (3,13) que está mais próxima da extremidade de entrada do tubo de catalisador com uma barreira. Assim, a barreira de entrada (4,14) pode ser proporcionada pela fronteira (3,13) que tem uma extremidade fechada na extremidade de entrada do tubo de catalisador. A extremidade fechada é de preferência proporcionada fixando a barreira de entrada (4,14) à fronteira (3,13), por exemplo, às paredes internas ou ao topo da parede da fronteira (3,13). A fixação pode ser feita por qualquer meio, por exemplo, por soldagem. A barreira de entrada pode ser uma placa feita de, por exemplo, metal ou cerâmica. A barreira de entrada (4,14) pode ter qualquer forma adequada, tal como um disco circular. A barreira de entrada (4,14) impede ainda que o gás de processo escape do segundo canal anular em direção à entrada do tubo de catalisador. A barreira de entrada (4,14) pode ser feita de metal ou cerâmica. A barreira de entrada pode formar um corpo contínuo com o catalisador estruturado. A barreira de entrada (4,14) pode ser feita do mesmo material ou material diferente do tubo de reator interno, por exemplo, cerâmica ou metal revestido com cerâmica ou uma liga resistente à corrosão por carburação.
[00072] A barreira de entrada (4,14) é geralmente suportada no tubo de catalisador por estar ligada à fronteira (3,13). Se um coletor estiver presente (veja abaixo), a barreira de entrada (4,14) também pode ser anexada ao coletor.
[00073] A barreira de saída (6, 16) está localizada na extremidade de saída do tubo de catalisador. No caso da primeira configuração de base, a barreira de saída (6,16) é para impedir que o gás de processo saia do tubo de reator externo do primeiro e segundo canal anular, enquanto permite que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do tubo interno (5,15). Sem essa barreira de saída (6, 16), o gás de processo que sai do primeiro canal anular sairia do tubo de reator externo (1,11). A barreira de saída (6,16) garante que o gás de processo seja alimentado ao segundo canal anular, de tal modo que o processo primeiro tem que fluir através do segundo canal anular e do tubo interno (5,15) antes de sair do tubo de reator externo (1,11). A barreira de saída (6,16) tipicamente compreende um espaço para permitir que o gás de processo saia do tubo interno (5,15). No caso da segunda configuração de base, a barreira de saída é para impedir que o gás de processo saia do tubo de reator externo a partir do primeiro canal anular e tubo interno, enquanto permite que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) do segundo canal anular.
[00074] A barreira de saída (6, 16) pode ser conectada ou fixada ao tubo de reator externo (1,11) ou ao tubo interno (5,15) ou a ambos. Por exemplo, a barreira de saída (6, 16) pode ser fixada por qualquer meio na parede interna do tubo de reator externo (1,11) ou na parede externa do tubo interno (5,15), por exemplo, por soldagem. No caso do tubo externo ter uma extremidade afunilada (7,17), a barreira de saída (6,16) pode também ser mantida na transição afunilada do tubo de reator externo (1,11).
[00075] A barreira de saída (6,16) também pode fornecer suporte ao tubo interno (5,15). Por exemplo, o tubo interno (5,15) pode ser montado na superfície da barreira de saída (6, 16) (isto é, na superfície voltada para a extremidade de entrada do tubo de catalisador). O tubo interno (5,15) também pode se estender ou até se estender através da barreira. O tubo interno (5,15) também pode ser estendido para um tubo de saída (17) do tubo de catalisador ou para um conjunto de saída ou trança de saída que pode estar presente abaixo do tubo de catalisador.
[00076] No caso da primeira configuração de base, a barreira de saída (6, 16) pode compreender uma superfície circular que compreende uma folga no seu centro. A folga fornece uma abertura para o gás de processo para sair do tubo interno (5,15). A forma circular é adequada para fechar o primeiro e o segundo canal anular. A superfície circular pode ser conectada em seus lados à parede interna do tubo externo do reator (1,11). A superfície circular pode ser parte da superfície de um corpo em forma de cone, um corpo em forma de cilindro ou um corpo em forma troncocônica. Tais corpos moldados podem proporcionar formas adequadas para a barreira de saída (6, 16). Por exemplo, a barreira de saída (6, 16) pode ser um disco circular com um orifício no meio.
[00077] O tubo de catalisador pode ainda compreender um coletor, em que o gás de processo pode ser transportado da entrada para o primeiro canal anular. O coletor pode também atuar como uma cobertura ou tampa para o tubo de reator externo (1,11) na extremidade de entrada do tubo de catalisador. O coletor pode ser ligado à extremidade de entrada do tubo do reator externo (1,11), por exemplo, por meios mecânicos, como parafusos ou porcas. O coletor também pode fornecer suporte adicional aos diferentes elementos no tubo catalisador, como a fronteira (3,13) e a barreira de entrada (4,14).
[00078] O tubo de catalisador pode ser montado na seção radiante de um forno industrial ou aquecedor de combustão, por exemplo, de um reformador a vapor. O tubo de catalisador de acordo com a invenção é preferencialmente adequado para inserção na câmara de forno de um forno industrial ou aquecedor de combustão (por exemplo, um reformador de vapor). O tubo de catalisador pode então ser inserido na câmara do forno e fixado com uma extremidade a uma parede da câmara do forno e com a sua outra extremidade para a parede da câmara do forno oposta. De um modo preferido, o tubo de catalisador é fixado de forma removível no forno industrial ou aquecedor a combustão. O tubo catalisador pode assim ser facilmente removido da câmara do forno durante o tempo de inatividade. Isto torna mais fácil fornecer material de catalisador fresco nos tubos de catalisador, se necessário.
[00079] As dimensões adequadas para o tubo interno (5,15), a fronteira (3,13) e o e ddo reator externo (1,11) podem ser selecionados como se segue.
[00080] Salvo indicação em contrário, o termo “diâmetro”, tal como aqui utilizado, refere-se ao diâmetro interno do tubo, cano ou fronteira. Isso significa que a espessura da parede do tubo, cano ou fronteira é excluída do diâmetro.
[00081] O diâmetro do tubo de reator externo (1,11) não é particularmente crítico. No entanto, no caso do tubo de catalisador ser utilizado em um reformador de vapor existente (isto é, renovar), o diâmetro do tubo do reator externo (1,11) pode ser pré-determinado e muitas vezes relativamente pequeno. Geralmente, o diâmetro do tubo do reator externo fica na faixa de 5 a 25 cm. Quando se refere ao diâmetro do tubo de reator externo, a espessura da parede externa do tubo de reator é excluída do diâmetro.
[00082] O tamanho do diâmetro da fronteira (3,13) é para uma parte importante determinada pelo volume mínimo requerido para o primeiro canal anular, pela velocidade espacial requerida e pela queda de pressão implicada pelo catalisador.
[00083] Em relação ao volume do primeiro canal anular, a zona catalítica precisa ter um volume suficientemente grande para converter o gás de processo suficientemente completo. Por conseguinte, a menos que seja utilizado um catalisador com uma atividade excepcionalmente elevada, o diâmetro da fronteira (3,13) não deve ser demasiado grande em relação ao diâmetro do tubo de reator externo. O valor máximo da fronteira é altamente dependente de parâmetros como o diâmetro do tubo de reator externo e a vazão a ser usada. O diâmetro da fronteira (3,13) pode muitas vezes ser inferior a 90% do diâmetro do tubo de reator externo, por exemplo, no caso de um tubo externo convencional com um diâmetro de 10 cm operado a uma vazão moderada. No entanto, em alto rendimento e / ou tubos de reator externo com um diâmetro grande, essa porcentagem pode ser maior.
[00084] O volume da zona catalítica no primeiro canal anular não deve ser muito grande, pois resultaria em uma redução significativa na área disponível para a transferência de calor e um aumento excessivo na queda de pressão no segundo espaço anular e no tubo interno. Portanto, o diâmetro da fronteira (3,13) pode geralmente ser pelo menos 50% do tamanho do diâmetro do tubo de reator externo (excluindo a espessura da parede externa do tubo de reator).
[00085] O diâmetro da fronteira (3,13) pode geralmente ser de 50-95%, por exemplo 58-90% do tamanho do diâmetro do tubo e reator externo (excluindo a espessura da parede do tubo do reator externo).
[00086] O tamanho do diâmetro do tubo interno pode ser ajustado de modo a obter uma alta velocidade do gás de processo no segundo espaço anular. Uma tal velocidade elevada pode promover a transferência de calor do gás de processo quente no segundo canal anular para o gás de processo na zona catalítica do primeiro canal anular. Por conseguinte, o diâmetro do tubo interno é selecionado de tal modo que a diferença entre o diâmetro da fronteira e o diâmetro do tubo interno esteja na faixa de 10 a 50%, preferivelmente de 15 a 40% do tamanho do diâmetro do tubo de reator externo (excluindo a espessura da parede externa do tubo de reator).
[00087] O diâmetro do tubo interno (5,15) pode estar no intervalo de 1,0 a 4,0 cm, de preferência 2,0 a 3,0 cm. O diâmetro é de preferência ajustado para um tamanho igual ou menor que o diâmetro do tubo de saída do tubo de catalisador (17), que é tipicamente de cerca de 2,5 cm. Tais diâmetros são suficientemente grandes para limitar a queda de pressão dentro do tubo interno.
[00088] Em um segundo aspecto, a invenção é direcionada a um reator multitubular compreendendo uma câmara de forno e pelo menos um tubo de catalisador de acordo com a invenção. O reator multitubular pode compreender vários tubos de catalisador que são paralelos entre si. A câmara do forno pode, por exemplo, compreender uma ou mais filas de tubos de catalisador. Por exemplo, um reator multitubular com combustão de topo típico tem gás de processo fluindo para baixo através de múltiplas filas de tubos, todos os quais estão contidos dentro da câmara do forno. Os queimadores estão localizados na parte superior do forno, em fileiras entre cada fileira de tubos, e o gás de combustão é extraído na parte inferior do forno. Para um reator multitubular de combustão de fundo, uma configuração similar pode ser usada com os queimadores na parte inferior e o processo fluindo para cima.
[00089] O reator multitubular pode compreender uma câmara de forno em que os queimadores aquecem diretamente os tubos de catalisador. Por exemplo, o reator multitubular pode ser um reator de topo, fundo ou de lado. As entradas do tubo de catalisador e as saídas do tubo de catalisador de pelo menos um tubo de catalisador estão localizadas em lados opostos da câmara do forno.
[00090] Alternativamente, os tubos de catalisador podem também ser aquecidos indiretamente pelos queimadores, por exemplo, através de um meio de aquecimento tal como vapor aquecido. Um reator multitubular indireto compreende uma câmara de combustão externa. Neste caso, a câmara do forno pode ter um compartimento compreendendo os queimadores (o que é chamado de câmara de combustão externa) e um compartimento separado compreendendo os tubos de catalisador.
[00091] Em uma concretização preferida, o reator multitubular é um reformador de vapor. Em princípio, no entanto, o reator da invenção é adequado para acomodar qualquer conversão catalítica em que a transferência de calor desempenhe um papel importante na produção do produto convertido, por exemplo, reatores para conversão catalítica em amônia, conversão catalítica em metanol, conversores de deslocamento água-gás, conversores catalíticos Fischer- Tropsch, etc.
[00092] Em um terceiro aspecto, a invenção refere-se a um método para conduzir uma reação catalítica em um tubo de catalisador de acordo com a invenção. O fluxo do gás de processo em tal método já foi descrito acima. O método compreende assim a troca de calor entre o gás que flui através do primeiro canal anular e o gás que flui através do segundo canal anular.
[00093] A reação catalítica é em particular uma reação de conversão catalítica. Em princípio, qualquer conversão catalítica em que a transferência de calor desempenha um papel importante na produção do produto convertido pode ser adequadamente conduzida no tubo de catalisador da invenção. Um exemplo de tais reações são a reforma a vapor, a conversão catalítica em amônia. Em uma concretização preferida, o método é para realizar a reforma de vapor regenerativa.
[00094] Em um quarto aspecto, a invenção é direcionada ao uso de tubo de catalisador de acordo com a invenção para renovar um reformador de vapor de tipo 2 existente, isto é, um reformador de vapor em que as entradas e saídas do tubo de catalisador estão localizadas em lados opostos da câmara de forno. Em tal reformador de vapor, o tubo de catalisador de acordo com a invenção pode substituir os tubos de catalisador existentes, o que torna possível realizar a reforma regenerativa no reformador de vapor.
[00095] Em uma forma de realização preferida, a renovação de um reformador de vapor é feita utilizando o suporte de catalisador existente nos tubos de reformador do reformador de vapor existente. Isto tem a vantagem de não ser necessário deslocar o suporte de catalisador existente, o que envolveria trabalhos de soldadura extensivos no local. O papel do catalisador em tubos reformadores convencionais em reformadores existentes é manter o catalisador no lugar. Consequentemente, o tubo interno e / ou a fronteira são posicionados nos tubos existentes do reformador usando o suporte de catalisador existente como suporte.
[00096] De acordo com este aspecto da invenção, o tubo de catalisador de acordo com a invenção também pode ser utilizado para renovar um forno industrial existente ou aquecedor de combustel em geral, por exemplo, substituindo um tubo de catalisador existente por um tubo de catalisador de acordo com a invenção e / ou utilizando o suporte de catalisador existente, se possível.

Claims (19)

1. Tubo catalisador para conversão catalítica regenerativa de gás de processo em um forno industrial caracterizado pelo fato de que compreende - uma entrada de tubo de catalisador para o gás de processo entrar no tubo de catalisador e uma saída de tubo de catalisador para o gás de processo sair do tubo de catalisador, cuja entrada e saída estão localizadas nas extremidades opostas do tubo de catalisador; - um tubo de reator externo (1,11); - um tubo interno (5,15) que se estende coaxialmente dentro do tubo de reator externo (1,11); - uma fronteira (3,13) localizada entre a parede interna do tubo de reator externo (1,11) e a parede externa do tubo interno (5,15); - um primeiro canal anular para converter cataliticamente gás de processo, canal esse que é definido pela parede interna do tubo de reator externo (1,11) e a parede exterior da fronteira (3,13), canal esse que é carregado com material catalisador; - um segundo canal anular para o gás de processo fluir em contra-corrente ou co-corrente para o gás de processo que flui através do primeiro canal anular, cujo segundo canal anular é definido pela parede interna da fronteira (3,13) e a parede externa do tubo interno (5,15); - uma barreira de entrada (4,14) na extremidade de entrada do tubo de catalisador para impedir que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) do segundo canal anular e tubo interno (5,15) na extremidade de entrada do o tubo catalisador; - uma barreira de saída (6, 16) na extremidade de saída do tubo de catalisador para evitar que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do primeiro canal anular e de um do segundo canal anular e do tubo interno (5,15), enquanto permite que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11) do outro do segundo canal anular e do tubo interno (5,15); em que o tubo interno, o primeiro canal anular e o segundo canal anular têm, cada um, uma abertura no lado de entrada do tubo de catalisador e uma abertura no lado de saída do tubo de catalisador, em que a entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do primeiro canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador; a abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador ou à abertura do tubo interno na extremidade de saída do tubo de catalisador; a abertura do segundo canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador; e quer a abertura do tubo interno (5,15) na extremidade de saída do tubo de catalisador ou a abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador.
2. Tubo de catalisador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: - a barreira de saída (6,16) é uma barreira de saída (6,16) na extremidade de saída do tubo de catalisador para evitar que o gás de processo saia do tubo de reator externo (1,11) do primeiro canal anular e do segundo canal anular, enquanto permite que o gás de processo saia do tubo do reator externo (1,11) a partir do tubo interno (5,15); e em que a entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do primeiro canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador; a abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador; a abertura do segundo canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador; e a abertura do tubo interno (5,15) na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador.
3. Tubo de catalisador, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que - a barreira de saída (6, 16) é uma barreira de saída (6, 16) na extremidade de saída do tubo de catalisador para impedir que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do primeiro canal anular e do tubo interno (5, 15), enquanto permite que o gás de processamento saia do tubo de reator externo (1,11) a partir do segundo canal anular; e em que a entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do primeiro canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador; a abertura do primeiro canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno na extremidade de saída do tubo de catalisador; a abertura do segundo canal anular na extremidade de entrada do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à abertura do tubo interno (5, 15) na extremidade de entrada do tubo de catalisador; e a abertura do segundo canal anular na extremidade de saída do tubo de catalisador está ligada de modo fluido à saída do tubo de catalisador.
4. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a barreira de saída (6, 16) compreende uma superfície circular ligada nos seus lados à parede interna do tubo do reator externo (1,11), em que a superfície circular compreende uma folga no seu centro para permitir que o gás do processo saia do tubo interno (5,15).
5. Tubo de catalisador, de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a barreira de saída (6, 16) compreende um corpo em forma de cone, um corpo em forma de cilindro ou um corpo em forma troncocônica.
6. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o tubo interno (5,15) é montado na superfície da barreira de saída (6,16) ou em que o tubo interno (5,15) se estende através da barreira de saída (6,16).
7. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o tubo de reator externo (1,11) tem uma extremidade afunilada (7,17) na extremidade de saída do reator.
8. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a fronteira (3,13) tem uma extremidade aberta na extremidade de saída do tubo de catalisador e uma extremidade fechada na extremidade de entrada do tubo de catalisador, em que a extremidade fechada é fechada pela barreira de entrada (4,14), em que a barreira de entrada (4,14) é de preferência fixa ou soldada à fronteira (3,13) na extremidade de entrada do reator.
9. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o primeiro canal anular compreende uma estrutura compreendendo uma ou mais de chapas corrugadas, elementos com aletas e espuma, sobre as quais é proporcionado o catalisador.
10. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a fronteira (3,13) é feita de um material de alta condutividade térmica.
11. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que a fronteira (3,13) compreende uma montagem contínua de múltiplos dispositivos tubulares empilhados uns sobre os outros, em que o dispositivo tubular pode ter uma forma cônica, cilíndrica ou troncocônica.
12. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o tubo de reator interno é feito de um material de baixa condutividade térmica com uma condutividade térmica abaixo de 10 W/(m.K) a 800 °C.
13. Tubo de catalisador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o tubo interno é um tubo redondo, um tubo quadrado ou um tubo retangular.
14. Reator multitubular caracterizado pelo fato de que compreende uma câmara de forno e pelo menos um tubo de catalisador como definido na reivindicação 1, em que as entradas de tubo de catalisador e as saídas de tubo de catalisador de pelo menos um tubo de catalisador estão localizadas em lados opostos da câmara de forno.
15. Reator multitubular, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a câmara de forno compreende múltiplas filas de tubos de catalisador contidos dentro da câmara de forno e em que os queimadores estão localizados em filas entre cada fila de tubos.
16. Reator multitubular, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que o reator é um reformador de vapor.
17. Método caracterizado pelo fato de ser para conduzir uma reação de conversão catalítica em um tubo de catalisador como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13 ou em um reator como definido em qualquer uma das reivindicações 14 a 16.
18. Uso do tubo de catalisador como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13 caracterizado pelo fato de ser para reformar um reformador, em que o reformador compreende uma câmara de forno e pelo menos um tubo de catalisador, em que as entradas de tubo de catalisador e as saídas de tubo de catalisador de pelo menos um tubo de catalisador são localizadas em lados opostos da câmara do forno.
19. Uso, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a renovação é feita ligando o tubo interno, a fronteira ou ambos ao suporte de catalisador existente nos tubos de reformador do reformador existente.
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