BR112020005588A2 - reator químico com leitos catalíticos adiabáticos e fluxo axial - Google Patents

Abstract

  Reator axial para reações químicas exotérmicas ou endotérmicas, compreendendo pelo menos um primeiro leito catalítico (3) e um segundo leito catalítico (4) operando em série e pelo menos um trocador de calor (5) entre os dois leitos catalíticos, em que o primeiro leito catalítico tem um fundo coletor (6) tendo uma estrutura em forma de caixa com paredes planas e paralelas, que são permeáveis ao gás, e uma pluralidade de canais paralelos (15, 16) definidos entre as paredes, em que uma primeira série dos ditos canais coleta o fluxo gasoso que sai do leito catalítico e passa através da primeira parede, o dito fluxo gasoso é direcionado para o trocador de calor e o fluxo que sai do trocador é direcionado para o segundo leito catalítico por meio de uma segunda série dos ditos canais do fundo coletor.

Description

”REATOR QUÍMICO COM LEITOS CATALÍTICOS ADIABÁTICOS E FLUXO AXIAL”

DESCRIÇÃO Campo de aplicação

[0001] A invenção refere-se ao campo técnico de reatores químicos catalíticos. A invenção refere-se em particular ao campo de reatores com leitos catalíticos adiabáticos e fluxo axial. Técnica anterior

[0002] Os reatores catalíticos adiabáticos de leitos múltiplos são definidos como tais porque não suprem ou removem diretamente dentro dos leitos catalíticos. Consequentemente, a temperatura de um fluxo gasoso de reagentes e produtos (fluxo do processo) pode variar significativamente através de cada leito catalítico, dependendo da natureza exotérmica ou endotérmica da reação. Em muitas aplicações de interesse, incluindo, por exemplo, a síntese de amônia e a síntese de metanol, as reações químicas envolvidas são exotérmicas, o que significa que o fluxo gasoso aquece significativamente ao passar através de cada leito catalítico. Em geral, isso requer o resfriamento do fluxo antes da entrada no leito subsequente, a fim de evitar o superaquecimento.

[0003] Os reatores de leitos múltiplos ou inter- resfriados são usados, por exemplo, para a síntese de amônia ou metanol. O resfriamento do fluxo do processo está, em geral, associado a uma operação de recuperação de calor. Por exemplo, em algumas aplicações, o fluxo do processo libera calor para um fluxo de água fervente, produzindo vapor, o qual pode ser usado para fins de processo ou energia.

[0004] Um reator do tipo mencionado acima requer componentes internos para a coleta e a distribuição de gás que são capazes de: coletar o gás que flui de um primeiro leito catalítico, transportá-lo para um trocador de calor localizado dentro do dito reator, coletar o gás que sai do trocador, distribuir o gás para um segundo leito catalítico operando a jusante do primeiro leito catalítico. Em reatores que compreendem um número maior de leitos catalíticos, por exemplo, três ou quatro, esses componentes são, em geral, necessários também entre outros pares de leitos dispostos em série, por exemplo, entre o segundo leito e o terceiro leito e, opcionalmente, também entre o terceiro leito e o quarto leito.

[0005] Esses componentes internos devem garantir a impermeabilidade dos fluidos e evitar o desvio do gás; eles devem suportar uma tensão térmica significativa; eles devem ser de tamanho pequeno, porque o espaço na parte interna do reator é limitado e qualquer componente que ocupe espaço que seria útil para o catalisador é desvantajoso. Além disso, deve-se garantir que o gás não siga um caminho longo e/ou um caminho com muitos desvios, para evitar uma queda de pressão excessiva. Outro requisito é o de alimentar os leitos catalíticos de maneira uniforme, de modo a fazer uso adequado do catalisador disponível. Em alguns processos, por exemplo, a síntese de metanol, se o gás não estiver uniformemente distribuído no leito catalítico, podem ocorrer reações químicas indesejáveis, com a formação de subprodutos que reduzem a pureza e, portanto, o valor comercial do produto. Além disso, nos reatores axiais, é necessário evitar componentes do gás de velocidade transversal em relação ao leito, que podem deslocar as partículas do catalisador de maneira indesejável, resultando em acúmulos que, por sua vez, influenciam negativamente a distribuição de gás na parte interna do leito catalítico.

[0006] Ainda outro requisito é uma fácil montagem/desmontagem das partes internas do reator, tanto para fins de manutenção quanto de reforma dos reatores existentes. Neste último caso, é preferível que os componentes para coletar e distribuir o gás possam ser introduzidos também através de uma abertura tendo um diâmetro substancialmente menor que o diâmetro do próprio reator, de modo que a reforma seja aplicável a reatores parcialmente abertos.

[0007] Pode-se entender, portanto, que a coleta e a distribuição de gás em reatores de leitos múltiplos inter-resfriados causam dificuldades técnicas que não são fáceis de superar.

[0008] No estado da técnica, têm sido adotadas diferentes soluções que dependem do fluxo que passa através dos leitos catalíticos, que pode ser axial, radial ou axial-radial misturado.

[0009] Nos reatores radiais ou axiais-radiais, um trocador de calor cilíndrico (por exemplo, um feixe de tubos) é comumente usado dentro de um leito catalítico anular. A coleta e a distribuição de gás são realizadas por paredes cilíndricas ou sistemas de parede permeáveis a gás. Esta solução construtiva é particularmente adequada para o fluxo radial e possui inúmeras vantagens, ainda que a construção das paredes permeáveis a gás cilíndricas seja relativamente cara.

[0010] Nos reatores de fluxo axial, que são de interesse para os fins da presente invenção, os leitos normalmente têm uma forma cilíndrica e são dispostos verticalmente em uma coluna, um acima do outro, dentro de um vaso ou um cartucho vertical. Em geral, os leitos são atravessados pelo gás de cima para baixo.

[0011] Com esta configuração, é difícil a disposição de um trocador de calor entre os leitos e, em particular, o fornecimento de um sistema adequado de coleta e distribuição de gás entre os leitos.

[0012] Em particular, na técnica anterior, não há uma solução vantajosa, de pequeno tamanho e baixo custo para coletar o efluente do primeiro leito, transportar o gás para um trocador de calor, coletar o gás que sai do trocador e redistribuí-lo uniformemente dentro do segundo leito subjacente.

[0013] Portanto, em reatores axiais, a troca de calor por meio de mistura direta é preferida, pois é mais fácil de executar. Por exemplo, um efluente quente do primeiro leito é misturado com uma quantidade adequada de gás reagente novo ou gás recirculado em temperatura mais baixa. O processo de mistura reduz a temperatura do gás antes de sua introdução no segundo leito. Essa técnica é conhecida como técnica de “resfriamento súbito”.

[0014] A técnica de “resfriamento súbito” é amplamente utilizada, mas tem a desvantagem de alterar a composição do gás, por exemplo, diluindo-o. Além disso, tem a desvantagem de não permitir a recuperação de calor com um efeito útil, por exemplo, a produção de vapor.

[0015] A técnica anterior não oferece uma solução conveniente para proporcionar um reator axial com troca de calor indireta entre os leitos, por exemplo, onde o gás do processo for resfriado dentro de uma caldeira e um vapor for produzido. Até agora, isto tem sido um obstáculo ao uso generalizado de reatores axiais. Isso é desvantajoso porque os reatores axiais têm várias características atraentes: são simples e de baixo custo, uma vez que não possuem coletores cilíndricos que respondem por uma parte substancial do custo das partes internas, são confiáveis, têm baixa queda de pressão, eles são adequados para uma alta divisão dos leitos catalíticos, por exemplo, 4 ou 5 leitos podem ser formados, o que é mais difícil em reatores radiais. No entanto, as dificuldades em obter uma recuperação de calor ou uma produção de vapor conveniente têm desencorajado os projetistas até o momento de adotar a configuração de um reator axial inter-resfriado.

[0016] O WO 2009/019045 divulga um pequeno reator químico feito de um tubo de reação contendo um catalisador e apresentando meios de troca de calor adaptados para trocar calor com os reagentes em seu trânsito pelo tubo de reação. Os meios de troca estão na forma de tubos em serpentina, cada um contido em um pequeno espaço ao longo do tubo, separado do catalisador por divisões difusoras. O calor que pode ser trocado pelos ditos tubos em serpentina, porém, é muito limitado. Sumário da invenção

[0017] A invenção tem como objetivo resolver os problemas e as desvantagens da técnica anterior indicados mais acima. Em particular, a invenção lida com o problema de como realizar a coleta e a distribuição de gás entre os leitos catalíticos consecutivos em um reator químico do tipo leitos múltiplos com troca de calor entre os leitos, de maneira eficiente, a baixo custo e com aparelhos tendo dimensão limitada. Mais particularmente, a invenção refere- se a reatores axiais de leitos múltiplos inter-resfriados; ainda mais especificamente, a invenção refere-se a reatores para síntese de amônia ou metanol.

[0018] O dito problema é resolvido com um reator de acordo com as reivindicações anexas.

[0019] O reator compreende uma pilha de leitos catalíticos alinhados axialmente, incluindo pelo menos um primeiro leito catalítico e um segundo leito catalítico operando em série com fluxo axial e pelo menos um trocador de calor entre os dois leitos. Um fluxo de gás que sai do primeiro leito catalítico é aquecido ou resfriado no trocador de calor e submetido a um estágio de reação adicional no segundo leito catalítico. A pilha de leitos catalíticos também é denominada pilha catalítica.

[0020] Os leitos catalíticos são colocados um ao lado do outro na direção axial, que também é a direção predominante do fluxo gasoso que atravessa os leitos catalíticos (fluxo axial). Por exemplo, os leitos catalíticos são colocados um acima do outro em um reator vertical.

[0021] O dito pelo menos um trocador de calor está localizado lateralmente à pilha catalítica. Por conseguinte, o dito trocador de calor não é empilhado axialmente com os leitos catalíticos. O pelo menos um trocador de calor pode estar dentro ou fora do reator, ou seja, dentro ou fora de um vaso de pressão contendo a pilha de leitos catalíticos. É preferido um modelo com o trocador de calor dentro do reator.

[0022] O reator é caracterizado pelo fato de que o primeiro leito catalítico tem um fundo coletor tendo uma estrutura em forma de caixa que compreende uma primeira parede e uma segunda parede espaçadas e paralelas uma em relação à outra, e uma pluralidade de canais paralelos que são definidos entre as ditas duas paredes.

[0023] A primeira parede é exposta ao fluxo que sai do primeiro leito catalítico e a segunda parede se comunica com uma entrada de gás do segundo leito catalítico; a dita primeira parede e a dita segunda parede também são permeáveis ao gás pelo menos sobre parte de sua superfície.

[0024] A dita pluralidade de canais paralelos compreende os primeiros canais que estão em comunicação direta com a primeira parede, de modo a coletar o fluxo gasoso que sai do dito primeiro leito catalítico e passa através da primeira parede, e os segundos canais que estão em comunicação direta com a segunda parede, de modo a distribuir um fluxo gasoso no dito segundo leito catalítico através da segunda parede.

[0025] O trocador de calor é um trocador de calor indireto com um lado atravessado pelo fluxo gasoso que sai do primeiro leito catalítico, o dito lado tendo uma entrada que se comunica com os primeiros canais do fundo coletor e uma saída que se comunica com os segundos canais dele, de modo a aquecer ou resfriar o fluxo gasoso coletado pelos primeiros canais e alimentar o fluxo aquecido ou resfriado aos segundos canais.

[0026] O reator inclui uma tubulação adequada para conectar o trocador de calor aos ditos primeiros canais e segundos canais do fundo coletor.

[0027] O dito fundo coletor é basicamente um componente combinado que, além da função estrutural como fundo do primeiro leito catalítico, atua como coletor do gás que sai do leito e como distribuidor (alimentador) do gás para o leito subsequente. Os primeiros canais se comportam substancialmente como coletores de gás, coletando o gás que sai do primeiro leito catalítico. Os segundos canais comportam-se substancialmente como coletores (distribuidores) de gás que alimentam o segundo leito catalítico. Na presente descrição, o termo fundo coletor é usado por questões de brevidade, embora o componente atue tanto como coletor quanto como distribuidor.

[0028] De preferência, os primeiros canais e os segundos canais são alternados um em relação ao outro, isto é, um primeiro canal é disposto ao lado de um segundo canal e vice-versa.

[0029] De modo vantajoso, o fundo coletor compreende um elemento de núcleo imprensado entre as ditas primeira e segunda paredes. O dito elemento de núcleo tem uma configuração de onda provida com cristas que são unidas alternadamente à primeira parede e à segunda parede, definindo os canais paralelos internos.

[0030] Em uma modalidade preferida, a primeira parede está diretamente em contato com o catalisador do primeiro leito (formando o seu fundo) e, portanto, está diretamente exposta a um fluxo de gás que sai do primeiro leito catalítico em uma direção axial, enquanto a segunda parede fica voltada para uma entrada de gás do segundo leito catalítico.

[0031] De modo vantajoso, a dita primeira parede compreende ou consiste em uma folha de metal plana, a dita segunda parede plana similarmente compreende ou consiste em outra folha de metal plana, e o elemento de núcleo compreende uma folha de metal ondulada ou enrugada. A espessura preferida para as ditas folhas de metal varia de 3 mm a 10 mm. O modelo tipo sanduíche com três folhas de metal é vantajoso, sendo simples, leve e de baixo custo.

[0032] O elemento de núcleo é unido, respectivamente, à primeira parede e à segunda parede ao longo das linhas de junção longitudinais. A junção pode ser realizada por meio de soldagem ou rebitagem ou usando elementos de conexão removíveis, como parafusos. De acordo com uma modalidade preferida, uma solda a laser é realizada ao longo de linhas de junção longitudinais entre as superfícies planas e paralelas que podem ser soldadas juntas por meio de um processo automático de soldagem a laser.

[0033] Nas modalidades preferidas, o dito elemento de núcleo é um elemento de suporte de carga do fundo coletor.

[0034] Deve-se notar que o fundo coletor em forma de caixa da presente invenção pode ter uma função de suporte de carga. A carga transferida para o fundo coletor inclui o peso do catalisador acima do fundo coletor e a carga gerada pela diferença de pressão (delta-p) do fluxo gasoso axial. As cargas acima são relevantes, particularmente em um reator grande com um diâmetro maior que 1 m. Os reatores de amônia grandes podem ter um diâmetro de 5 a 6 m e até 7 m; a tensão sobre os fundos coletores é, portanto, muito relevante.

[0035] Consequentemente, um fundo de um leito catalítico de um grande reator precisa de elementos estruturais relativamente grandes, por exemplo, vigas de apoio, que inevitavelmente retiram algum espaço. Uma das vantagens da invenção é que a ocupação inevitável do espaço do fundo de um leito catalítico é explorada para proporcionar uma coleta do fluxo de entrada em direção ao trocador de calor entre os leitos e uma coleta do fluxo aquecido ou resfriado proveniente do mesmo trocador de calor.

[0036] Em uma modalidade preferida, a altura do coletor imprensado (distância entre a primeira parede e a segunda parede) não é maior que 300 mm em um reator tendo um diâmetro de até 6 metros.

[0037] A primeira parede plana e a segunda parede plana são tornadas permeáveis ao gás usando uma técnica de construção conhecida per se, por exemplo, as paredes compreendem aberturas, como orifícios, micro- orifícios ou fendas, adequadas para permitir que o gás atravesse.

[0038] Em uma modalidade particularmente preferida, os ditos canais paralelos têm uma seção transversal essencialmente triangular ou trapezoidal. Mais vantajosamente, a base da seção triangular ou trapezoidal de um canal corresponde a uma tira permeável aos gases da primeira ou da segunda parede, garantindo assim que o canal esteja em comunicação direta com o primeiro leito catalítico ou o segundo leito catalítico, respectivamente.

[0039] De preferência, os ditos canais paralelos se estendem em uma direção longitudinal que está em um plano perpendicular em relação ao eixo do reator. Consequentemente, em um reator de eixo vertical, os canais paralelos estão localizados na mesma altura dentro do próprio reator.

[0040] Uma configuração preferida proporciona: a coleta do gás que sai do primeiro leito e a alimentação do dito gás aos primeiros canais em um lado do fundo coletor; a alimentação do gás ao segundo leito em um lado oposto do fundo coletor. Isso permite otimizar a tubulação dentro do reator e controlar os fluxos de entrada e saída de uma maneira melhor.

[0041] Em algumas modalidades, o fundo coletor tem uma estrutura modular, isto é, é formado por uma pluralidade de módulos. Cada módulo compreende um determinado número dos ditos canais paralelos, e o fundo coletor é formado por dois ou mais dos ditos módulos dispostos lado a lado. Mais vantajosamente, cada módulo é independente. Os módulos adjacentes do fundo coletor podem ser fixados juntos por um ou mais elementos planos, por exemplo, as folhas de metal, que formam partes da primeira parede ou da segunda parede.

[0042] Em uma modalidade adicional, o fundo coletor compreende tubos perfurados em pelo menos um dos primeiros canais e dos segundos canais. Mais preferivelmente, os tubos perfurados estão localizados dentro dos segundos canais.

[0043] O trocador de calor é um trocador indireto, isto é, opera com dois fluidos que fluem ao longo de dois lados respectivos do trocador, sem se misturarem. O trocador de calor compreende um casco e uma série de corpos de troca de calor, como tubos ou placas. Um lado do trocador é formado pela parte interna dos ditos corpos e o outro lado é formado pelo volume do casco em torno dos ditos corpos.

[0044] Um meio de aquecimento ou resfriamento adequado flui através de um lado do trocador de calor.

[0045] Estando localizado lateralmente à pilha catalítica, o trocador é disposto descentralizado em relação ao eixo do reator. No trocador do tipo placas, os corpos de troca de calor são essencialmente planos, possuindo uma espessura pequena em comparação com o comprimento e a largura.

[0046] Em um reator de acordo com a invenção, os leitos catalíticos podem compreender o mesmo catalisador, ou catalisadores, de tipo diferente, dependendo dos requisitos.

[0047] Um reator de acordo com a invenção pode compreender uma pluralidade de fundos coletores, do tipo descrito acima, que estão dispostos entre os respectivos pares de leitos catalíticos adjacentes. O gás que sai do fundo coletor do último leito é enviado para a saída do reator, opcionalmente após uma troca de calor adicional.

[0048] A invenção oferece muitas vantagens, algumas das quais são descritas abaixo.

[0049] Uma primeira vantagem é que o gás é coletado e distribuído em um único aparelho, isto é, dentro do membro combinado, com uma estrutura simples e de baixo custo. O dito membro combinado pode ser formado essencialmente com três componentes de baixo custo, isto é, duas folhas de metal planas e uma folha de metal enrugada para formar o núcleo interno. O membro combinado é leve, mas também resistente devido ao efeito de nervura do núcleo interno. Portanto, pode ser usado como o fundo de um leito catalítico, podendo suportar o peso e a pressão longitudinal do próprio leito.

[0050] Uma vantagem principal da invenção é que o membro coletor/distribuidor combinado é compacto e não requer uma tubulação complexa para controlar os fluxos de gás. Portanto, a invenção é capaz de aplicar a técnica de inter-resfriamento também a reatores axiais e combinar a maior simplicidade de construção destes últimos com as vantagens que, até agora, estavam associadas apenas aos reatores radiais ou axiais-radiais.

[0051] O membro combinado da invenção distribui o gás que entra no leito subsequente de maneira uniforme e sem componentes de velocidade horizontal. Este aspecto permite manter a menor distância possível entre dois leitos, influenciando assim favoravelmente o grau de enchimento, o qual é definido como a razão entre o volume do catalisador carregado e o volume interno do aparelho. O aumento do grau dos meios de enchimento leva a um aparelho mais compacto e menos caro, com o mesmo desempenho.

[0052] O uso da soldagem a laser oferece outras vantagens: a técnica a laser pode ser realizada sem uma haste de soldagem, resultando em uma boa precisão dimensional. A precisão dimensional significa uma distorção térmica mínima. Além disso, o processo de produção com soldagem a laser é totalmente automatizado e reduz os custos de produção.

[0053] Outra vantagem é a possibilidade de reformar os aparelhos existentes inserindo um membro coletor/distribuidor de acordo com a invenção. Isso permite, por exemplo, reformar as partes internas, recuperando assim um espaço útil para o catalisador e/ou convertendo um reator de resfriamento súbito em um reator inter-resfriado. A reforma é facilitada ainda mais pelo modelo modular. Mais vantajosamente, os módulos independentes também permitem a reforma de reatores parcialmente abertos.

[0054] A seção transversal trapezoidal dos canais é tal que uma grande área de fluxo passante de gás pode ser obtida para os canais.

[0055] A presença de tubos perfurados dentro dos canais oferece as vantagens adicionais de garantir uma distribuição uniforme do gás ao longo dos canais e reduzir a troca de calor parasítica entre os canais adjacentes.

[0056] A disposição fora do centro (descentrada) do trocador de calor proporciona uma série de configurações do reator que serão descritas abaixo com alguns exemplos. Portanto, a invenção também tem a vantagem de proporcionar uma flexibilidade aumentada no modelo do reator químico.

[0057] As vantagens da invenção surgirão ainda mais claramente com o auxílio da descrição detalhada abaixo relacionada a diversas modalidades preferidas.

Descrição das figuras

[0058] A Fig. 1 mostra uma seção transversal esquemática de um reator compreendendo dois leitos catalíticos e um fundo coletor, em uma modalidade da invenção.

[0059] A Fig. 2 mostra uma seção transversal esquemática do fundo coletor do reator de acordo com a Fig.

1.

[0060] A Fig. 3 mostra uma vista do fundo coletor de acordo com a Fig. 2.

[0061] A Fig. 4 mostra um fundo coletor como na Fig. 3, em outra modalidade da invenção.

[0062] A Fig. 5 mostra um fundo coletor ainda em outra modalidade da invenção.

[0063] A Fig. 6 é um diagrama que mostra os fluxos entre o fundo coletor e o trocador de calor do reator de acordo com a Fig. 1, em uma modalidade da invenção.

[0064] As Figs. 7 e 8 mostram uma seção transversal esquemática de um reator, em algumas modalidades da invenção.

[0065] As Figs. 9 e 10 mostram uma seção longitudinal esquemática de um reator, em algumas modalidades adicionais da invenção. Descrição detalhada das modalidades preferidas

[0066] A Fig. 1 mostra em forma esquemática um reator de fluxo axial 1 compreendendo essencialmente um casco 2, um primeiro leito catalítico 3 e um segundo leito catalítico 4. O casco 2 contém ainda um trocador de calor

5. O primeiro leito catalítico 3 possui um fundo coletor 6,

que será descrito abaixo.

[0067] O reator 1, por exemplo, é um reator vertical com o eixo A-A.

[0068] Em algumas modalidades, os leitos catalíticos estão alojados dentro de um cartucho.

[0069] Os leitos 3 e 4 operam em série. Uma alimentação nova (gasosa) entra no reator 1 através de um flange 101, flui axialmente através do primeiro leito 3 a partir do topo, para baixo, na direção indicada pelas setas; um fluxo gasoso que sai do primeiro leito 3 (parcialmente convertido) é direcionado para o trocador de calor 5 e, uma vez resfriado ou aquecido, entra no segundo leito 4 para a conclusão do processo de conversão. O segundo leito 4 também é atravessado axialmente, como indicado pelas setas. Os produtos de reação deixam o reator 1 através do flange 102.

[0070] Os leitos catalíticos 3 e 4 são empilhados um acima do outro, com o fundo coletor no meio. O trocador de calor 5 é colocado lateralmente, fora da pilha.

[0071] O fundo coletor 6 tem uma pluralidade de canais paralelos 15 e 16 que estabelecem comunicação entre os dois leitos catalíticos 3, 4 e com o trocador de calor 5, como será explicado abaixo.

[0072] O fundo coletor 6 (Fig. 2) compreende essencialmente uma primeira parede 10 e uma segunda parede 11 e um elemento de núcleo 12 imprensado entre as paredes 11 e 12.

[0073] As duas paredes 10, 11 são planas e paralelas, adequadamente espaçadas uma da outra. As ditas duas paredes 10, 11 também são permeáveis ao gás pelo menos sobre parte de sua superfície.

[0074] A primeira parede 10 é exposta ao fluxo de gás que sai do primeiro leito catalítico 3; a segunda parede fica voltada para uma entrada de gás do segundo leito catalítico 4.

[0075] O elemento de núcleo 12 tem uma configuração de ondas, com cristas 13 que são unidas alternadamente à primeira parede 10 e à segunda parede 11 ao longo das linhas de soldagem 14.

[0076] O elemento de núcleo assim disposto 12 define uma série de canais paralelos entre as paredes 10 e 11, dentro do fundo coletor 6. Mais particularmente, os que seguem são definidos: primeiros canais 15 que se comunicam com o primeiro leito catalítico 3 através das superfícies permeáveis 17 da parede 10, de modo a coletar o fluxo gasoso que sai do primeiro leito 2; segundos canais 16 que se comunicam com o segundo leito catalítico 4, de modo a distribuir um fluxo gasoso no dito segundo leito 14 através das superfícies permeáveis 18 da parede 11.

[0077] As superfícies 17 e 18 representam zonas permeáveis das paredes 10 e 11. As ditas zonas permeáveis podem ser formadas, por exemplo, como tiras longitudinais, como mostrado nas figuras. Pode-se observar que as regiões ao redor das cristas 13 e das respectivas soldas 14, em vez disso, não são permeáveis.

[0078] O trocador de calor 5 é um trocador indireto com dois lados que não estão em comunicação entre si. Os ditos dois lados podem ser, por exemplo, um lado do casco e um lado interno do tubo ou da placa. Um dos lados do trocador 5 é atravessado pelo gás de processo do reator 1 e tem uma entrada que se comunica com os primeiros canais 15 e uma saída que se comunica com os segundos canais 16.

[0079] Observando as Figs. 1 e 2, pode ser entendido que o fluxo de gás que sai do leito 3 é coletado apenas dentro dos primeiros canais 15, passando através das superfícies permeáveis 17; os ditos canais 15 alimentam o trocador de calor 5. O gás que sai do trocador de calor 5 entra nos segundos canais 16 e passa para o segundo leito subjacente 4 através das superfícies permeáveis 18.

[0080] O modelo do fundo coletor 6, em uma modalidade preferida, é mostrado na Fig. 3.

[0081] As paredes 10 e 11 são essencialmente obtidas utilizando folhas de metal de espessura adequada (preferivelmente 3-10 mm) e tornadas permeáveis ao gás por meio das aberturas 20 distribuídas sobre a superfície. As aberturas 20 de cada parede são distribuídas em tiras que correspondem aos respectivos canais que devem receber ou fornecer o gás. Também existem tiras não permeáveis nas proximidades das juntas com o núcleo 12. Na Fig. 3, pode-se ver que as aberturas 20 da parede 10 estão distribuídas nas tiras 21 correspondendo à posição dos primeiros canais 15 e que a parede 10 compreende tiras não permeáveis 22 (isto é, sem as aberturas 20) nas proximidades das juntas 14.

[0082] As aberturas 20 podem ser dimensionadas, dependendo do tamanho de partícula do catalisador, de modo a proporcionar uma seção adequada que permita que o gás atravesse, mas as partículas do catalisador sejam retidas.

Nas variantes da invenção, a parede permeável a gás também pode ser obtida por meio de uma folha de metal perfurada, coberta com uma malha adequada ou utilizando outras técnicas para obter coletores conhecidos per se.

[0083] O núcleo 12 tem partes planas 23 paralelas às paredes 10 e 11 para realizar a soldagem, isto é, de preferência a soldagem automática. O dito núcleo 12 também possui faces impermeáveis a gás inclinadas 24 que ligam os canais 15 e 16 e definem uma forma que possui uma seção transversal trapezoidal dos ditos canais.

[0084] A Fig. 4 mostra uma variante na qual o fundo coletor 6 compreende tubos perfurados 25 dentro dos canais 16. De preferência, um tubo perfurado 25 é proporcionado dentro de cada canal 16. O gás do trocador de calor 5 é distribuído dentro dos canais 16 através dos ditos tubos 25, obtendo uma distribuição mais uniforme ao longo de todo o comprimento dos ditos canais. Outra vantagem dos ditos tubos perfurados 25 é que o gás é parcialmente confinado dentro dos tubos 25, reduzindo assim o contato do gás com as superfícies dos lados 24 e a troca de calor parasítica entre os canais.

[0085] A Fig. 5 mostra uma variante do fundo coletor modular 6. Dois módulos independentes 6.1 e 6.2 são mostrados, sendo estes unidos por uma plataforma 30 que forma parte de uma das faces planas, por exemplo, a face 10, do coletor modular. O modelo de construção dos módulos

6.1 e 6.2 é semelhante ao mostrado nas Figs. 2 e 3, opcionalmente com tubos perfurados, como mostrado na Fig.

4.

[0086] A Fig. 6 mostra em forma esquemática o caminho do fluxo de gás. Em particular, a figura mostra os fluxos entre o fundo coletor 6 e o trocador de calor 15. O gás coletado nos primeiros canais 15 é, de preferência, alimentado a um primeiro coletor/distribuidor 31 e depois ao trocador de calor 15 ao longo da linha de fluxo 32. Após atravessar o trocador 15, o gás (linha 33) passa para um segundo coletor 34 e daí flui para os segundos canais 16. Os canais 15 são conectados em paralelo ao coletor 31 e os canais 16 são conectados em paralelo ao segundo coletor 34.

[0087] São ilustrados abaixo alguns exemplos não limitativos do layout do reator que podem ser utilizados proveitosamente com a invenção. Os exemplos proporcionam uma ideia das várias possibilidades de aplicação da invenção. Exemplo 1

[0088] Neste exemplo (Fig. 7), o reator compreende, visto em seção transversal, um segmento circular 40 que abriga o trocador de calor 15 e um segmento circular 41 que abriga instalações auxiliares, tais como: termopares, tubulações, bueiros etc. Deve ser observado que, ao adotar o fluxo axial, não é necessária uma simetria radial do reator. Por conseguinte, o trocador 15 e/ou as instalações adicionais podem ser alojados em segmentos circulares, como os segmentos 40 e 41. A figura também mostra os coletores 31 e 34, conforme o diagrama da Fig. 6. O trocador 15 é mostrado como sendo do tipo tubo, mas também pode ser do tipo placa. Exemplo 2

[0089] Neste exemplo, semelhante ao exemplo anterior (Fig. 8), o reator compreende dois trocadores de calor 15 nos segmentos circulares 40 e 41. Exemplo 3

[0090] Neste exemplo (Fig. 9), o trocador de calor 15 é mostrado como um trocador de calor do tipo tubo, disposto afastado em um segmento circular 40 do reator.

[0091] O trocador compreende essencialmente um casco 50 e um feixe de tubos 51. O gás de processo circula sobre o lado do casco, enquanto um fluido de resfriamento circula sobre o lado do tubo, isto é, dentro dos tubos 51. Consequentemente, o casco 50 nesta modalidade é do tipo “baixa pressão”, porque deve suportar apenas a diferença na pressão resultante das perdas de carga através dos leitos catalíticos.

[0092] O fluido de resfriamento sobre o lado do tubo tem uma entrada 52 e uma saída 53. O dito fluido de resfriamento pode ser um gás ou, mais vantajosamente, a água para produzir vapor em uma pressão adequada. A produção de vapor é vantajosa porque a temperatura do fluido de resfriamento (água fervente) é mantida constante.

[0093] O gás que sai dos leitos individuais pode ser transportado sobre o lado do casco de um ou mais trocadores de pré-aquecimento de gás, que estão fisicamente separados, ou de uma única caldeira, cujos tubos ou placas passam por todo o comprimento do aparelho. Neste último caso, as divisões 54 do lado do casco devem ser proporcionadas para manter separado o gás de cada coletor axial individual.

[0094] Para simplificar a arquitetura e a montagem/desmontagem das caldeiras, as caldeiras podem ser proporcionadas com tubos em forma de U.

[0095] Pode-se observar que o reator compreende dois fundos coletores 106, 206, os quais estão situados, respectivamente, abaixo do primeiro leito 3 e abaixo do segundo leito 4. Os ditos dois fundos coletores são formados essencialmente na mesma maneira que o fundo coletor 6 já descrito. Pode-se observar que o reator compreende apenas dois leitos catalíticos e, portanto, o gás que sai do segundo coletor 206 neste exemplo flui para fora do reator, em vez de passar para outro leito catalítico.

[0096] O reator mostrado no exemplo tem as seguintes vantagens: fácil acessibilidade, escolha livre da altura dos leitos catalíticos, leitos catalíticos com uma seção transversal uniforme, melhor uso dos espaços dentro do reator (aparelho mais compacto), gás que entra e sai dos leitos sem quaisquer componentes de velocidade transversal. A ausência de componentes de velocidade transversal evita os deslocamentos indesejáveis do catalisador. Exemplo 4

[0097] Neste exemplo (Fig. 10), o trocador de calor 15 compreende um casco 60 e um ou mais feixes de tubos 61, 62. O gás de processo circula sobre o lado do tubo. O casco 60 é consequentemente do tipo “alta pressão”. Outros detalhes são substancialmente semelhantes aos da Fig. 9.

[0098] Deve-se observar que o casco 60 pode ter uma seção transversal não circular. Em uma modalidade, a seção transversal do casco 60 é moldada de modo a seguir o perfil do segmento circular 40 do reator.

[0099] Deve-se observar que o modelo construtivo é facilitado pelo fato de que, para cada coletor, a entrada e a saída de gás do casco da caldeira estão localizadas na mesma altura.

[0100] A disposição descrita forma um único casco de alta pressão dentro do reator, onde o vapor é gerado.

[0101] O reator de acordo com a Fig. 10 pode produzir vapor como nos reatores isotérmicos de metanol do tipo radiais ou axiais-radiais, com corpos de troca imersos no catalisador, mas possui várias vantagens em comparação com eles. Uma vantagem é a eficiência aperfeiçoada da troca de calor que não é prejudicada pelo catalisador. Outra vantagem é que os componentes do trocador 15 podem ser inspecionados e reparados sem ter que descarregar o catalisador.

Claims (15)

REIVINDICAÇÕES

1. Reator para a realização de reações químicas exotérmicas ou endotérmicas, compreendendo: uma pilha axial de leitos catalíticos, incluindo pelo menos um primeiro leito catalítico (3) e um segundo leito catalítico (4) operando em série com fluxo axial, os leitos catalíticos sendo empilhados um ao lado do outro em uma direção axial do reator, em que um fluxo gasoso que sai do primeiro leito catalítico é submetido a um estágio de reação adicional no segundo leito catalítico; pelo menos um trocador de calor (5) localizado lateralmente à pilha de leitos catalíticos, o dito trocador de calor sendo disposto para resfriar ou aquecer, por meio de troca de calor indireta com um meio de aquecimento ou resfriamento, o dito fluxo que sai do primeiro leito catalítico antes da entrada no segundo leito catalítico, caracterizado pelo: primeiro leito catalítico (4) ter um fundo coletor (6) tendo uma estrutura em forma de caixa, compreendendo uma primeira parede (10) e uma segunda parede (11) espaçadas e paralelas uma em relação à outra, e uma pluralidade de canais paralelos (15, 16) que são definidos entre as ditas duas paredes, a dita primeira parede ser exposta ao fluxo que sai do primeiro leito catalítico, e a segunda parede se comunicar com uma entrada de gás do segundo leito catalítico, e as ditas primeira parede e segunda parede serem permeáveis ao gás pelo menos sobre parte (17, 18) de sua superfície, a dita pluralidade de canais paralelos compreender os primeiros canais (15) que estão em comunicação direta com a primeira parede, de modo a coletar o fluxo gasoso que sai do dito primeiro leito catalítico e passa através da primeira parede, e os segundos canais (16) que estão em comunicação direta com a segunda parede, de modo a distribuir um fluxo gasoso no dito segundo leito catalítico através da segunda parede, o dito pelo menos um trocador de calor (5) ser um trocador de calor indireto com um primeiro lado atravessado pelo fluxo gasoso que sai do primeiro leito catalítico e um segundo lado atravessado por um fluido de troca de calor, o dito primeiro lado tendo uma entrada que se comunica com os primeiros canais (15) do fundo coletor (6) e uma saída que se comunica com os segundos canais (16) dele, de modo a aquecer ou resfriar o fluxo gasoso coletado pelos primeiros canais e alimentá-lo, aquecido ou resfriado, aos segundos canais.

2. Reator de acordo com a reivindicação 1, onde o dito fundo coletor compreende um elemento de núcleo (12) imprensado entre as ditas primeira parede e segunda parede, o elemento de núcleo tendo uma configuração de ondas com cristas que são unidas alternadamente à primeira parede e à segunda parede, definindo os ditos canais paralelos entre as ditas paredes.

3. Reator de acordo com a reivindicação 2, onde a dita primeira parede compreende uma folha de metal plana, a dita segunda parede plana compreende outra folha de metal plana e o elemento de núcleo compreende uma folha de metal ondulada ou enrugada.

4. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde os primeiros canais e os segundos canais do fundo coletor alternam-se entre si.

5. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o elemento de núcleo é um elemento de suporte de carga do fundo coletor.

6. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde a primeira parede e a segunda parede do fundo coletor são permeáveis ao gás devido a orifícios ou micro-orifícios, ou devido à presença de fendas opcionalmente cobertas por uma malha.

7. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde os ditos canais paralelos do fundo coletor têm uma seção transversal essencialmente triangular ou trapezoidal.

8. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde os ditos canais paralelos do fundo coletor se estendem em uma direção longitudinal que se situa em um plano perpendicular ao eixo do reator.

9. Reator de acordo com a reivindicação 8, onde o reator tem um eixo vertical e os canais paralelos estão localizados na mesma altura dentro do reator.

10. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o dito fundo coletor (6) tem uma estrutura modular, cada módulo (6.1, 6.2) compreendendo um determinado número dos ditos canais paralelos, e o fundo coletor combinado sendo formado pelo arranjo lado a lado de dois ou mais dos ditos módulos.

11. Reator de acordo com a reivindicação 10, onde os módulos adjacentes do fundo coletor são fixados juntos por um ou mais elementos planos que formam partes da primeira parede ou da segunda parede.

12. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o fundo coletor compreende tubos perfurados (25) para coletar ou distribuir o gás dentro dos primeiros e/ou segundos canais.

13. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o dito pelo menos um trocador de calor está dentro do reator.

14. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o dito pelo menos um trocador de calor é do tipo tubo ou do tipo placa.

15. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, onde o reator é um reator de fluxo axial ou essencialmente axial; o primeiro leito catalítico e o segundo leito catalítico são dispostos verticalmente em uma coluna, o primeiro leito sendo posicionado acima do segundo leito, de modo que os dois leitos sejam cruzados em sequência pelo fluxo axial, o fundo coletor sendo disposto entre os dois leitos.