BR112020012389B1 - Conversor de fluxo axial adiabático - Google Patents

Abstract

A presente invenção refere-se a um conversor de fluxo axial adiabático, no qual gás de processo passa de um anel externo por meio de um leito do catalisador, em que o gás de processo é convertido em um produto, para um tubo central interno, o leito do catalisador compreende pelo menos um módulo compreendendo uma ou mais camadas de catalisador. Meios de alimentação são dispostos para prover um fluxo de gás de processo do anel externo para uma parte de entrada de um ou mais módulos e meios coletores são dispostos para prover um fluxo de corrente de produto de gás de processo convertido que passa axialmente através do leito do catalisador de um ou mais dos módulos para o tubo central.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um conversor de fluxo axial adiabático, no qual gás de processo passa de um anel externo por meio de um leito do catalisador, em que o gás de processo é convertido em um produto, para um tubo central interno.

[002] Mais especificamente, a invenção refere-se às técnicas de reatores químicos isotérmicos ou pseudo- isotérmicos. Sabe-se que os reatores químicos isotérmicos ou pseudo-isotérmicos são providos de um trocador de calor interno, adaptado para prover calor ou remover calor da reação química que é gerada no reator por si só. O trocador de calor é usualmente inserido em uma camada catalítica dentro da zona de reação e ele serve para manter a temperatura dos reagentes dentro de uma faixa ideal compensando a produção ou absorção de calor da reação por si só. Dentre outros usos, os reatores isotérmicos são comumente usados em instalações para a produção de metanol ou amônia, cujas reações de síntese são exotérmicas.

[003] No campo da produção industrial de compostos químicos, tais como metanol e amônia, há uma necessidade bem-conhecida de processos de desenvolvimento de síntese heterogênea com um alto rendimento de conversão dos reagentes e instalações com altas capacidades, em baixos custos de investimento e baixo consumo de energia. Para esse fim, reatores para reações químicas catalíticas são conhecidos que compreendem um revestimento exterior substancialmente cilíndrico, equipado com entradas/saídas adequadas para reagentes e produtos de reação e contendo uma camada catalítica na qual uma unidade de troca de calor é embutida que é capaz de tirar calor dos gases reagentes, se a reação química for exotérmica ou vice-versa fornecendo calor se a reação química for endotérmica. Tais reatores são conhecidos como “pseudo-isotérmicos” ou, mais simplesmente, “isotérmicos”, visto que a unidade de troca de calor mantém a temperatura no reator dentro de uma faixa predeterminada.

[004] Os conversores de amônia são complicados devido ao fato de que, como mencionado, a síntese de amônia de gás nitrogênio e hidrogênio (em uma razão aproximada de 1:3) é exotérmica e as reações ocorrem em altas temperaturas e pressões. Assim, o resfriamento entre estágios é geralmente usado entre uma série de zonas de catalisador para manter condições cinéticas e de equilíbrio apropriadas para eficiência ótima de conversão. Também deve haver provisões para atender as zonas de catalisador, por exemplo, removendo periodicamente e substituindo catalisadores quando eles perdem sua eficácia.

[005] Visto que os conversores de amônia são complicados, mas também peças de equipamento muito importantes, muitos esforços são feitos para melhorar sua eficácia. Assim, o documento US 2004/0096370 A1 revela um conversor de amônia vertical de fluxo dividido, no qual uma zona de catalisador de leito fixo é configurada em dois volumes de catalisador separados mecanicamente e duas correntes de gás operando em paralelo. Este design mantém a razão do fluxo de gás para o volume do catalisador de modo que não haja qualquer perda de eficácia do catalisador. Os leitos de catalisador e os caminhos de fluxo de gás são configurados de modo que o fluxo de gás seja descendente através de cada volume do catalisador.

[006] De acordo com o documento US 2008/0014137 A1, amônia é produzida em um conversor no qual condições pseudo-isotérmicas podem ser abordadas por resfriamento por convecção de uma zona de reação pelo posicionamento de pelo menos uma parte da dita zona em contato indireto com um fluxo de gás quente, tal como gás de escape ou ar preaquecido.

[007] O uso de reatores de fluxo axial-radial em processos de síntese não é novo por si só. Ele é, por exemplo, revelado no documento US 5.427.760, que descreve reatores axiais-radiais no Braun synloop com dissipador de calor externo. No documento US 4.372.920, um reator axial- radial para uso na síntese heterogênea é descrito e o documento US 5.352.428 lida com a síntese de amônia de alta conversão. A figura 4 da última patente norte-americana é uma ilustração de um reator de fluxo axial-radial adequado para uso no aparelho e processo descritos.

[008] O documento US 2002/0102192 A1 descreve um reator catalítico em que um fluxo axial-radial pode ser alcançado com as vantagens consequentes de uma pressão reduzida diferencial, mas sem quaisquer “componentes internos do reator complexos”. O reator tem orifícios de entrada e saída e um leito do catalisador particulado disposto em torno de uma região central que se comunica com um dos orifícios e apresenta menos resistência ao fluxo do que as partículas do catalisador. A região central dentro do leito do catalisador tem uma altura igual a pelo menos uma parte principal da altura do leito do catalisador e a superfície exterior do leito do catalisador menor do que aquela do reator, assim deixando um espaço entre a superfície exterior do leito do catalisador e as paredes interiores do reator, o dito espaço sendo cheio com um material particulado com menos resistência ao fluxo do que as partículas do catalisador.

[009] No documento EP 2 167 226 B1, um sistema de paredes para leitos catalíticos de reatores para síntese heterogênea de compostos químicos é revelado. Os reatores são equipados com leitos fixos de catalisador cruzados por um fluxo gasoso de gás de síntese, particularmente com fluxo axial-radial. O design pode se assemelhar àquele da presente invenção, mas o conceito de recipiente não é previsto.

[0010] Um conversor catalítico com múltiplos leitos com trocadores de calor entre os leitos, compreendendo uma pluralidade de leitos catalíticos sobrepostos e um trocador de calor comum, é revelado no documento EP 2 759 338 A1. O design deste conversor não tem muito em comum com o design do conversor de fluxo axial/radial da presente invenção.

[0011] Finalmente, o documento US 2004/0204507 A1 descreve um conversor de fluxo axial/radial resfriado compreendendo um leito do catalisador anular e uma pluralidade de painéis de resfriamento dispostos em um padrão radial dentro do leito do catalisador e circundando um tubo central. O leito do catalisador e o revestimento do conversor formam um anel externo através do qual um gás de processo é passado para o leito do catalisador. O gás de processo flui em uma direção axial-radial através do leito do catalisador e é subsequentemente coletado no tubo central. O conversor de fluxo axial/radial da presente invenção difere daquele do pedido norte-americano pelo fato de que o leito do catalisador é dividido em vários módulos idênticos empilhados no topo uns dos outros e também pelo fato de que o gás de processo é passado através dos painéis de resfriamento para preaquecer o gás.

[0012] Quando baixa queda de pressão é exigida em um conversor catalítico de leito fixo, um conversor do tipo de fluxo radial é frequentemente selecionado. No entanto, em casos especiais, tais como um leito do catalisador resfriado, encolhimento do catalisador ou partículas do catalisador tendo baixa resistência combinada com um alto leito do catalisador, esta solução não é prática e, em vez disso, reatores de resfriamento entre leitos ou paralelos devem ser selecionados.

[0013] Uma solução poderia consistir na substituição do leito de fluxo radial com uma pilha de recipientes de fluxo axial idênticos. Embora o fluxo através de cada recipiente individual seja axial, o conjunto pode ter um padrão de fluxo como um reator de fluxo radial, por exemplo, tirando fluxo de alimentação de um anel externo e eliminando o efluente do reator para um tubo interno. A altura do leito pode ser ajustada para satisfazer a exigência de queda de pressão e resistência do catalisador sem mudar o layout principal do reator.

[0014] Assim, a presente invenção refere-se ao conversor de fluxo axial adiabático, no qual gás de processo passa de um anel externo por meio de um leito do catalisador em que o gás de processo é convertido em um produto para um tubo central interno, em que: - o leito do catalisador compreende pelo menos um módulo compreendendo uma ou mais camadas de catalisador tendo uma altura hcat, - meios de alimentação são dispostos para prover um fluxo de gás de processo do anel externo para uma parte de entrada de um ou mais módulos e - meios coletores são dispostos para prover um fluxo de corrente de produto de gás de processo convertido que passou axialmente através do leito do catalisador de um ou mais dos módulos para o tubo central.

[0015] Quando o conversor compreende um anel externo, em que o gás de processo flui, meios de alimentação para trazer o gás de processo do anel para a entrada de pelo menos um módulo compreendendo pelo menos uma camada de catalisador, assim como meios coletores para a coleta da corrente de produto, isto é, o gás de processo que passou através do catalisador em um módulo e trazendo a corrente de produto coletada para um tubo central interno, várias vantagens são alcançadas, tais como: - O revestimento do reator é mantido na temperatura mais baixa possível no caso de uma reação exotérmica. - Os módulos compreendendo o catalisador(s) permitem o carregamento/descarregamento mais fácil à medida que os módulos podem ser carregados com catalisador fora do conversor. - O design modular permite o fluxo dividido interno, reduzindo consideravelmente a dP geral do reator. - O design modular único permite o uso de módulos com diâmetro variável para melhor utilização do volume do reator.

[0016] O design modular permite uma baixa razão de diâmetro/altura do reator reduzindo a área de gráfico e tornando o transporte mais fácil.

[0017] Em uma modalidade mais preferida do conversor de fluxo axial, o conversor é disposto para dois ou mais dos módulos a serem operados em paralelo e/ou em série. Especialmente, uma disposição modular em paralelo permite um design do reator com baixa queda de pressão total nos leitos do catalisador de fluxo axial. Os módulos podem ser dispostos em paralelo a fim de reduzir a queda de pressão enquanto os módulos podem ser dispostos em série a fim de aumentar a conversão.

[0018] Preferivelmente, o conversor é disposto para assegurar que a queda de pressão Dp (dessa forma, a velocidade espacial, spv) seja a mesma dentro de ± 5% através de módulos operados em paralelo. Isto assegurará a distribuição igual de gás por catalisador entre os módulos, isto é, a fim de prover um fluxo de gás de processo igual ou próximo a igual através dos módulos. Preferivelmente, a diferença de queda de pressão entre módulos é próxima a 0% visto que esta assegurará distribuição igual de gás entre os módulos pelo que desempenho ótimo do reator é assegurado.

[0019] Cada módulo pode compreender uma ou mais camadas de catalisador adiabáticas, a dita camada(s) adiabática tendo um diâmetro dadi, uma área de seção transversal Aadi e uma altura Hadi, onde a altura Hadi da camada/camadas de catalisador adiabáticas em módulos operados em paralelo é idêntica ±5%, preferivelmente ±0% a fim de prover um conversor com um fluxo otimizado através de todos os módulos no reator. Cada módulo operado em paralelo contém preferivelmente o tipo idêntico de catalisador.

[0020] Os módulos podem ter preferivelmente altura do catalisador idêntica ou próximo a idêntica e/ou conter tipo idêntico de catalisador.

[0021] Assim, é preferido que módulos operados em paralelo tenham a mesma configuração do catalisador enquanto módulos operados em série podem ter configurações diferentes de catalisador visto que as exigências ideais de dP quase idêntica através dos módulos não se aplicam aos módulos seriais.

[0022] Em geral, pode ser desejável ter velocidade espacial similar através de pelo menos alguns - preferivelmente todos - dos módulos a fim de assegurar conversão igual do gás de processo à medida que ele passa através dos módulos.

[0023] Assim, preferivelmente os módulos são dispostos para alcançar velocidade espacial similar através de cada um dos módulos que trabalham em paralelo. Por exemplo, todos os módulos podem ter a mesma altura contendo as mesmas camadas de catalisador. O diâmetro dos módulos pode variar, por exemplo, a fim de encaixar fisicamente nas diferentes áreas do conversor, desde que a configuração do catalisador seja a mesma em todos os módulos do catalisador.

[0024] Um revestimento do reator tem, tipicamente, uma seção esférica ou elipsoidal inferior e algumas vezes também superior com diâmetro reduzido. É uma importante característica da invenção que se permite que os módulos sejam diferentes em diâmetro também quando operados em paralelo o que pode ser alcançado quando as exigências de módulo acima são satisfeitas, visto que a distribuição igual de gás por área do catalisador ainda será alcançada.

[0025] Cada um ou alguns módulos podem ser providos com meios para permitir que a remoção e/ou inserção do módulo de/para o reator para permitir o carregamento/descarregamento/manutenção fora do reator.

[0026] O módulo(s) preferivelmente tem um diâmetro que é menor do que o diâmetro interno do vaso do conversor/reator, deixando um anel externo em que o gás bruto recebido pode distribuir para os módulos relevantes.

[0027] Cada módulo é preferivelmente provido ainda com um tubo central interno em que os gases do produto são coletados antes de deixar os módulos.

[0028] O reator pode ser disposto com duas ou mais seções de módulo, cada seção de módulo contendo um ou mais módulos. As seções podem ser separadas a fim de serem capazes de ter condições de fluxo e pressão diferentes nas seções.

[0029] Uma zona de resfriamento brusco pode ser disposta para resfriar bruscamente o gás de produto de pelo menos uma seção de módulo, dessa forma, obtendo uma corrente de produtos de resfriamento brusco em cujo caso o conversor ainda pode compreender meios para prover pelo menos parte da corrente de produtos de resfriamento brusco como alimento para uma ou mais seções subsequentes.

[0030] O gás de processo fresco e/ou parcialmente convertido, opcionalmente gás de processo resfriado pode ser usado como gás de resfriamento brusco. O uso de resfriamento brusco é um método de redução da reatividade do gás e remoção de calor de uma reação exotérmica.

[0031] Os módulos em diferentes seções de módulo podem ser diferentes uns dos outros, conter diferentes catalisadores e ser dispostos de modo diferente. Por exemplo, os módulos em uma primeira seção, recebendo um gás de processo muito reativo fresco não misturado, podem ser operados em uma temperatura mais baixa e conter um catalisador menos reativo do que os módulos em uma seção subsequente, que recebe o gás de produto da primeira seção (opcionalmente misturado com, por exemplo, gás de processo resfriado), que é menos reativo do que o gás de processo não reagido não misturado recebido pelos módulos na primeira seção.

[0032] As pelo menos duas ou mais seções de módulo podem ser dispostas para operar em paralelo para alcançar uma baixa queda de pressão total. Um exemplo poderia ser colocar em paralelo as seções, cada seção contendo dois módulos operando em série. Tal design dará uma queda de pressão consideravelmente menor para a velocidade espacial dupla.

[0033] Alternativamente, duas ou mais seções de módulo são dispostas para operar em série com uma zona de resfriamento brusco entre uma primeira e uma segunda seções de módulo. A disposição do módulo em cada seção pode, neste caso, variar.

[0034] Uma combinação da operação de seções paralelas e em série também é possível se exigida pelo processo de reação. Algumas seções de módulos podem ser dispostas em paralelo a fim de reduzir a queda de pressão enquanto outras podem ser dispostas em série a fim de aumentar a conversão.

[0035] Sem estar limitado a isso, o conversor de fluxo axial de acordo com a presente invenção pode ser usado como reator de amônia, reator de metanol, reator de metanização ou reator de mudança e ele pode ser usado ainda em conexão com outros processos de reação.

[0036] Assim, pela presente invenção é provido um conversor compreendendo um leito catalisador modular que provê um grau muito alto de flexibilidade. A estrutura modular permite conversores/reatores altamente especializados e leitos do catalisador especialmente adaptados para cumprir as necessidades de vários processos e limitações do reator. As propriedades físicas dos módulos podem ser variadas e otimizadas, por exemplo, para acomodar módulos com um raio menor no topo e/ou fundo do reator e permitindo módulos de diâmetro total onde o vaso do conversor é o mais amplo. A estrutura modular também permite leito do catalisador altamente especializado com diferentes catalisadores em seções diferentes do conversor assim como provê zonas de resfriamento brusco entre as seções, onde desejável. Dependendo do uso tal como reator de amônia, reator de metanol, reator de metanização, reator de mudança e outros processos de reação exotérmicos, mas não limitado a isto, os diferentes parâmetros do conversor podem ser alterados e otimizados. Por exemplo, o número de módulos no conversor pode ser variado e o conversor pode compreender uma, duas, três ou mais seções com a possibilidade de zonas de resfriamento brusco entre todas as seções ou algumas seções.

[0037] O catalisador nos módulos também pode ser variado visto que cada módulo pode ser disposto para conter uma única camada de catalisador ou várias camadas de catalisador idênticas ou diferentes. Em algumas modalidades, todos os módulos contêm o mesmo tipo de catalisador na mesma configuração enquanto em outras modalidades pelo menos alguns módulos compreendem catalisador diferente ou configuração de catalisador diferente, isto é, número diferente de camadas, altura(s) da camada do catalisador diferentes etc.

[0038] O modular construído do leito do catalisador no conversor permite ainda que alguns ou todos os módulos sejam carregados fora do vaso do conversor e subsequentemente carregados dentro do vaso do conversor. O fato de que o catalisador é disposto em módulos também pode facilitar o descarregamento do catalisador do conversor visto que os módulos podem ser erguidos por um por um. Ser capaz de remover todos ou alguns dos módulos pode não ser apenas uma vantagem quando o leito do catalisador precisa ser alterado, mas também pode ser altamente vantajoso durando a manutenção do conversor permitindo a remoção de todo ou uma parte do leito do catalisador que subsequentemente pode ser carregada novamente em módulo por módulo mesmo reutilizando o catalisador existente.

[0039] O conceito básico de fluxo axial - radial, onde o gás de processo flui axialmente através do leito do catalisador e flui radialmente por meio dos meios coletores para o tubo central, permite, mesmo com um módulo único, um conversor com uma baixa queda de pressão. Além disso, o fluxo de gás de processo no anel externo resulta em um impacto com menor temperatura sobre o revestimento do conversor e, dessa forma, também uma menor temperatura externa da parede do reator.

[0040] A menor queda de pressão provida combinada com a possibilidade de ter vários módulos empilhados permite conversores altos e estreitos tendo um grande volume do catalisador com um baixo diâmetro.

[0041] A seguir, a invenção é ainda descrita com referência aos desenhos em anexo. Os desenhos são providos como ilustrações de alguns aspectos da invenção e não devem ser interpretados como limitantes da invenção.

[0042] A figura 1 mostra uma vista esquemática de uma seção transversal de um conversor 1 de acordo com a presente invenção. O conversor compreende quatro módulos 2 cada um tendo uma única camada de catalisador 3. Os quatro módulos são operados em paralelo visto que o gás de processo 4 passa de um anel externo 5 para a parte de entrada 6 de cada um dos módulos. O gás de processo passou axialmente através de cada leito do catalisador e é coletado nos meios de coleta 7 em relação a cada módulo de onde ele flui para um tubo central 8 e deixa o conversor como o gás de produto 9. Os módulos e, dessa forma, as camadas de catalisador variam em diâmetro visto que três dos módulos têm o mesmo diâmetro e o quarto módulo situado no fundo do conversor tem um menor diâmetro a fim de encaixar no fundo do conversor. A camada de catalisador nos módulos tem a mesma altura H o que significa que, se o catalisador em cada um dos quatro módulos for do mesmo tipo, a queda de pressão através de cada módulo será a mesma.

[0043] A figura 2 mostra uma vista esquemática de um conversor tendo quatro módulos 2 divididos em duas seções operadas em série. As seções são separadas por placas ou outros meios de separação. Os dois módulos em cada seção são operados em paralelo. Entre as seções estão uma zona de resfriamento brusco na qual gás de produto quente 9 alcança gás de resfriamento brusco mais frio antes da mistura de gás de produto e gás de resfriamento brusco entrar na seção subsequente e nos dois módulos nela.

Claims (14)

1. Conversor de fluxo axial adiabático, no qual gás de processo passa de um anel externo por meio de um leito do catalisador, em que o gás de processo é convertido em um produto, para um tubo central interno, caracterizado pelo fato de que: - o leito do catalisador compreende pelo menos um módulo compreendendo uma ou mais camadas de catalisador tendo uma altura hcat, - meios de alimentação são dispostos para prover um fluxo de gás de processo do anel externo para uma parte de entrada de um ou mais módulos e - meios coletores são dispostos para prover um fluxo de corrente de produto de gás de processo convertido que passou axialmente através do leito do catalisador de um ou mais dos módulos para o tubo central.

2. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender dois ou mais módulos.

3. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o conversor é disposto para que dois ou mais módulos sejam operados em paralelo e/ou em série.

4. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a queda de pressão Dp é a mesma dentro de ±5% através de módulos operados em paralelo.

5. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as uma ou mais camadas de catalisador em módulos operados em paralelo compreendem os mesmos catalisadores.

6. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a altura das uma ou mais camadas de catalisador em módulos operados em paralelo é a mesma.

7. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que os meios coletores são parte de pelo menos um módulo.

8. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o reator é disposto com dois ou mais seções de módulo, cada seção de módulo compreendendo um ou mais módulos.

9. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender uma zona de resfriamento brusco em que o gás de produto de uma seção é resfriado bruscamente, obtendo uma corrente de produtos de resfriamento brusco e em que o conversor compreende meios para prover pelo menos parte da corrente de processo resfriada bruscamente quando alimentada para uma ou mais seções subsequentes.

10. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que gás de processo fresco ou parcialmente convertido, opcionalmente gás de processo resfriado é usado como gás de resfriamento brusco.

11. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que os módulos em seções diferentes podem ser diferentes uns dos outros, podem conter catalisador diferente e podem ser dispostos de modo diferente.

12. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos duas ou mais seções são dispostas para operar em paralelo.

13. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que duas ou mais seções são dispostas para operar em série.

14. Conversor de fluxo axial adiabático, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por ser usado como reator de amônia, reator de metanol, reator de metanização, reator de mudança e outros processos de reação exotérmicos.