BR112020012623A2 - método e reator para realizar reações exotérmicas - Google Patents
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Abstract
Um método e reator para realizar reações exotérmicas com módulos de catalisador operados em paralelo dispostos em ordem empilhada dentro de um invólucro de pressão e adaptados para fluxo axial de gás de processo através de uma ou mais camadas de catalisador e pelo menos uma camada de catalisador resfriada por um trocador de calor intra-leito.
Description
[001] Amônia é de importância substancial na alimentação da crescente população mundial através de sua aplicação como carga de alimentação na produção de fertilizantes. Historicamente, o conversor de tipo Tennessee Valley Authority (TVA) foi, por décadas, o tipo de reator preferido para síntese de amônia e alcançou uma posição firme já nos anos 30. Ele é caracterizado pela utilização de fluxo axial em um único leito de catalisador resfriado a gás. O resfriamento do catalisador é obtido por vários tubos colocados verticalmente no leito do catalisador, assegurando condições de reação em favor de conversão de uma reação exotérmica. Apesar de um grande número de referências para esse tipo de conversor, oO projeto sofreu com três limitações importantes; LI) a queda de pressão em um único conversor cresceu à medida que a capacidade da instalação aumentou, resultando em alto consumo de energia, II) altos custos de construção para construir conversores paralelos em invólucros de pressão separados para superar o desafio da queda de pressão elevada e III) altas taxas de recirculação (e pressões do circuito) geralmente eram requeridas para compensar a conversão medíocre de hidrogênio e nitrogênio por passagem no reator.
[002] Para atender a uma tendência geral para a construção de instalações maiores de capacidade de linha única após a Segunda Guerra Mundial, foi introduzida a ideia de utilizar fluxo radial adiabático em leitos fixos de catalisador. Especialmente a partir dos anos 60, e adiante, o conversor de fluxo radial ganhou quotas de mercado crescentes às custas do conversor tipo TVA. O denominador comum de reatores de fluxo radial é que eles geralmente fornecem maior área de seção transversal para fluxo e, assim, menor velocidade média de gás, em oposição à área de seção transversal e velocidade de gás obtidas pelo fluxo axial através da mesma massa de catalisador. Essa realização facilitou taxas de produção de amônia significativamente maiores em um único conversor e invólucro de pressão, enquanto mantendo a queda de pressão sobre o conversor abaixo de 3 bar (300 kPa). Além disso, para aumentar a conversão, diminuindo a taxa de recirculação necessária circuito, resfriamento brusco do gás de produto a partir de um primeiro leito adiabático por gás de processo fresco foi introduzido na década dos anos 60 pelo conversor S-100 de Haldor Topsoe. A corrente resfriada bruscamente combinada foi então adicionalmente convertida em um segundo leito adiabático conectado em série ao primeiro leito. Fluxo radial foi aplicado a ambos os leitos de catalisador.
[003] Avanços adicionais do conversor de fluxo radial surgiram com o conversor S-200 durante os anos 80 e com o conversor 9S8$-300 por volta do ano 2000. Em vez de resfriamento brusco, esses reatores são equipados com um único ou dois trocadores de calor inter-leito, respectivamente, para fornecer resfriamento no meio entre dois ou três leitos de catalisador operados em série, sendo cada leito adiabático e tirando vantagem do princípio de fluxo radial. Projetos similares incluem o conversor de fluxo axial-radial de Casale, que também se baseia em leitos de catalisadores fixos adiabáticos operados em série e com troca de calor inter-leito. O(s) trocador(es) de calor inter-leito(s) acima mencionado (s) serve (m) ao objetivo de gerar potencial termodinâmico para conversão adicional da reação exotérmica após cada leito de catalisador enquanto simultaneamente pré-aquecendo o gás de processo fresco entrando para o conversor antes de alcançar o primeiro leito de catalisador.
[004] Qualquer aperfeiçoamento relacionado com os reatores de amônia deve comparar seu desempenho com o de um conversor adiabático de dois ou três leitos com fluxo radial e troca de calor inter-leito, pois esse tipo de conversor ainda é a escolha preferida para instalações de produção de amônia em larga escala.
[005] Embora conversores adiabáticos em série com fluxo radial e troca de calor inter-leito ainda sejam dominantes no mercado, etapas adicionais de aperfeiçoamento podem ser feitas. É bem conhecido que a eficiência de um catalisador para qualquer reação exotérmica pode ser melhorada por resfriamento do catalisador em uma extensão, resultando em uma curva de operação seguindo à curva de taxa de reação máxima da reação dada. Um reator adiabático, não fornecendo resfriamento, sofre com parte da massa do catalisador operando em condições mais frias do que o ótimo, enquanto outras partes do leito do catalisador operam em condições mais quentes do que o ótimo. Assim, uma evolução natural foi obtida por Casale que introduziu um conversor de fluxo em que resfriamento do leito de catalisador é obtido pelo uso de placas de resfriamento em que algum tipo de fluido de resfriamento é aquecido. Tal tipo de conversor pode, em princípio, fornecer uma conversão maior por volume de catalisador, devido a condições de reação aperfeiçoadas do catalisador em relação às obtidas em um leito adiabático. Este conceito é descrito através de várias patentes, como US 6.946.494 e US 9.028.766. Todas essas patentes descrevem placas de resfriamento colocadas em uma disposição radial dentro de um invólucro cilíndrico do conversor e uso de fluxo radial no leito de catalisador para obter baixa queda de pressão sobre o catalisador.
[006] Embora a técnica anterior acima mencionada, aplicando a disposição de fluxo radial e placa de resfriamento radial, proporcione meios para aperfeiçoar a eficiência catalítica de uma reação exotérmica, esta solução sofre de quatro desvantagens principais; 1) a natureza da disposição da placa de resfriamento radial implica variar a distância entre as placas de resfriamento e, assim, espessura variável da camada de catalisador localizada no meio entre duas placas de resfriamento adjacentes, resultando consequentemente em um perfil de resfriamento indesejável através do leito de catalisador.
[007] Em detalhes, a reação exotérmica química é resfriada muito fracamente próximo do raio externo do leito de catalisador, pois a distância entre as placas de resfriamento é, aqui, maior que a ótima, enquanto a reação é resfriada muito fortemente próximo do raio interno do leito de catalisador, onde a distância entre as placas de resfriamento está em seu mínimo. O perfil de fluxo associado fornece uma curva de operação não ótima e taxa de produção catalítica específica limitada. Além disso, II) a retenção do princípio de fluxo radial implica leitos verticais elevados de catalisador, produzindo altas forças de catalisador sobre as peças mecânicas do conversor e risco de falhas; III) o grande volume de catalisador aplicado em cada leito de um conversor de fluxo radial requer carregamento do catalisador a partir do interior do conversor após instalação do equipamento, o que produz longo tempo de instalação e IV) o descarregamento do catalisador colocado no meio entre as placas de resfriamento é particularmente problemático no fundo de um conversor de fluxo radial resfriado devido às placas longas de resfriamento aplicadas.
[008] A invenção refere-se a um método altamente eficiente para realizar reações catalíticas exotérmicas, tais como, mas não limitadas a, sínteses de amônia Ou metanol. A invenção descreve etapas inovadoras realizadas para aperfeiçoar as condições de reação do catalisador aplicado. Também, a invenção possibilita um conceito empilhável para instalação rápida, carregamento e descarregamento fáceis de catalisador, permite altos rendimentos de conversão em instalações de produção química de grande capacidade com baixos custos de investimento e alta eficiência energética, enquanto, ao mesmo tempo, superando as limitações da técnica anterior. Os problemas técnicos acima mencionados da técnica anterior são resolvidos de acordo com à invenção por.
[009] Un método para realizar reações catalíticas exotérmicas compreendendo as etapas de passar um gás de processo fresco em paralelo a pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador, cada contendo uma zona de catalisador resfriada mantendo um leito de catalisador e um trocador de calor intra-leito.
[0010] Conversor exotermicamente o gás de processo fresco, à medida que ele flui em direção de fluxo axial através do leito de catalisador em cada uma das zonas de catalisador, em um gás de produto.
[0011] Em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador operados em paralelo, resfriar a reação exotérmica por passagem de gás de processo fresco a partir de um espaço anular externo, formado em torno de cada um dos módulos cilíndricos de catalisador, para dentro do trocador de calor intra-leito e passagem do gás de processo fresco através do trocador de calor intra-leito em troca de calor indireta com o gás de processo reagindo fluindo em direção axial através da zona de catalisador resfriada. A zona de catalisador resfriada de cada módulo pode ser opcionalmente conectada em série com uma ou mais zonas adiabáticas de catalisador, acima e/ou abaixo da zona de catalisador resfriada.
[0012] O trocador de calor intra-leito de cada módulo é produzido a partir de uma pluralidade de unidades de troca de calor verticalmente alinhadas formando compartimentos de fluxo para o gás de processo fresco no trocador de calor intra-leito. Cada unidade de troca de calor contém meios de alimentação horizontalmente colocados, dispostos para transportar gás de processo fresco a partir de um espaço anular externo, formado em torno de cada um dos módulos cilíndricos, para dentro da unidade de troca de calor em que o gás de processo fresco é aquecido à medida que ele passa através da unidade de troca de calor por absorção do calor de reação a partir da reação exotérmica na zona de catalisador resfriada. O gás de processo fresco pré- aquecido deixa a unidade de troca de calor na extremidade oposta do dito meio de alimentação, após o que ele é transportado para a zona de catalisador superior, sendo ou adiabático ou resfriado. O padrão de fluxo em cada unidade de troca de calor do trocador de calor intra-leito é preferivelmente axial e em contra-corrente ou co-corrente com o fluxo nas zonas de catalisador.
[0013] Em uma modalidade da invenção, as ditas unidades de troca de calor de cada trocador de calor intra-leito consistem em estruturas em formato de placa alongada, semelhantes a placas amortecedoras, referidas como placas de resfriamento. Uma placa de resfriamento é geralmente feita de duas folhas de aço finas espaçadas, o espaço dentro da placa de resfriamento entre as duas folhas de aço constitui um canal em que escoa o gás de processo fresco. Catalisador é disposto entre as placas de resfriamento. O gás de produto de cada módulo cilíndrico de catalisador é preferivelmente passado a partir da zona de catalisador a mais inferior para um espaço central formado centralmente dentro de dois ou mais módulos de catalisador quando empilhando os módulos dentro do invólucro de pressão.
[0014] A invenção revela também a possibilidade de aplicar uma disposição de placa de resfriamento paralela, em que a distância entre duas placas de resfriamento adjacentes é a mesma dentro de +10% e, preferivelmente, em que cada placa de resfriamento é essencialmente planar e do tipo de placa amortecedora.
[0015] Em uma modalidade adicional da invenção, meios adicionais são introduzidos para fornecer gás de processo pré-aquecido, proveniente de, por exemplo, um aquecedor de partida interno ou externo, para o catalisador carregado nos módulos cilíndricos de catalisador. Estes meios, referidos como o sistema direto de gás de entrada, podem servir como uma ferramenta importante para permitir redução de catalisador durante a partida inicial do conversor. O dito sistema direto de gás de entrada é disposto para se desviar do espaço anular externo, localizado no meio entre o invólucro externo de pressão e os módulos cilíndricos de catalisador. Isto permite a introdução de gás de processo pré-aquecido durante redução do catalisador que iria, de outra forma, exceder a temperatura de projeto ou do invólucro de pressão. Sem o sistema direto de gás de entrada, o nível de temperatura possível do catalisador seria, em muitos casos, limitado devido à temperatura de projeto acima mencionada, resultando em um período de redução prolongado e ineficiente.
[0016] Em uma modalidade adicional da invenção, o sistema direto de gás de entrada é também utilizado para fornecer gás de processo fresco não pré-aquecido para o catalisador contido nos módulos cilíndricos de catalisador durante operação normal do conversor, isto é, após a redução inicial do catalisador. O fluxo de gás de processo através do sistema direto de gás de entrada pode ser controlado por uma ou mais válvulas localizadas fora do conversor. Este sistema permite o controle do nível de temperatura do catalisador durante operação normal. Por exemplo, durante o período inicial do tempo de vida útil do catalisador, onde a atividade do catalisador se encontra em seu máximo, ou durante carga reduzida (fluxo de alimentação reduzido) para o conversor, a fração do gás de alimentação introduzido através do sistema direto de gás de entrada pode ser aumentada para resfriar o catalisador sendo aquecido pela reação exotérmica. Similarmente, à medida que o catalisador desativa e/ou a carga do conversor é elevada, a fração de gás de alimentação enviado através do sistema direto de gás de entrada pode ser reduzida para permitir o pré-aquecimento intensificado do gás de alimentação restante sendo passado através do trocador de calor intra- leito de cada módulo de catalisador. A utilização do dito sistema direto de gás de entrada para ambos os cenários, aquecimento durante o período de redução e controle de temperatura durante operação normal, assegura uma utilização ótima do volume do conversor disponível em vez de projetar partes internas do conversor com dois meios/sistemas separados para fornecer gás de processo pré- aquecido e não pré-aquecido fresco respectivamente.
[0017] Com vantagem, contrário à técnica anterior, foi verificado de modo surpreendente que a invenção, utilizando fluxo axial na(s) zona (s) de catalisador dos módulos operados em paralelo, permite que placas de resfriamento sejam colocadas em disposição em paralelo dentro da zona de catalisador resfriada. Esta realização importante assegura uma espessura fixa da camada de catalisador localizada no meio entre duas placas de resfriamento adjacentes, como obtido pela escolha preferida de placas de resfriamento em paralelo. Isto proporciona um resfriamento homogêneo do catalisador na zona de catalisador resfriada e, consequentemente, melhoradas condições de reação e eficácia catalítica relativas às condições de reação obtidas com a técnica anterior.
[0018] Un —aperfeiçoamento adicional garantido pela presente invenção refere-se ao fato de que a combinação descrita de 1) módulos de catalisador operados em paralelo, II) fluxo axial através das zonas de catalisador e III) pré-aquecimento do gás de alimentação obtidos por troca de calor intra-leito na zona de catalisador resfriada, assegura a possibilidade de carregar significativamente mais catalisador no invólucro de pressão de uma dada instalação de produtos químicos. Assim, uma utilização mais eficiente do volume disponível do invólucro de pressão é obtida pela nova invenção. A combinação de eficiência catalítica aperfeiçoada, obtida pela espessura constante da camada de catalisador por placas de resfriamento paralelas e maior volume de carregamento de catalisador assegura um efeito sinergético adicional na taxa máxima de produção possível dentro de um invólucro de pressão de tamanho fixo. Isso é de extrema importância em casos de renovação, com foco no aumento de capacidade, onde o conversor é substituído enquanto o invólucro de pressão original é mantido.
[0019] Outra vantagem da invenção é que, apesar do fluxo axial através de todas as zonas de catalisador, a queda de pressão do conversor total pode ser mantida tão baixa como 1 kg/cm? ou menor. Isto é possível devido à escolha do padrão de fluxo paralelo dos módulos diminuindo a velocidade do gás nas zonas de catalisador.
[0020] Também, o método descrito e passar gás de processo fresco a partir de um espaço anular externo,
localizado no meio entre o invólucro externo de pressão e os módulos cilíndricos de catalisador, para dentro do trocador de calor intra-leito, é uma característica eficaz e inteligente de assegurar o resfriamento do invólucro de pressão que tem, com frequência, uma temperatura baixa de projeto e deve, assim, ser blindado da reação exotérmica ocorrendo nas zonas de catalisador dos módulos de catalisador operados em paralelo.
[0021] Outra característica importante da invenção, é o fato de que os módulos, operando em paralelo, são altamente flexíveis com relação ao tamanho simplesmente ajustando o número de módulos para uma dada instalação de produtos químicos e para a capacidade desejada. Isto permite um carregamento do catalisador fora do invólucro de pressão e a elevação dos módulos, tendo catalisador pré-carregado e peso reduzido, diretamente no invólucro de pressão. Isso explica as proposições de valor extraordinárias relacionadas aos tempos de inatividade reduzidos devido ao carregamento rápido do catalisador e ao tempo rápido de instalação do equipamento, obtidos pelo conceito verdadeiramente empilhável dos módulos de catalisador.
[0022] Finalmente, a invenção possibilita uma altura mais curta do leito de catalisador vertical ao aumentar o número de módulos de catalisador produzindo forças de catalisador reduzidas de modo significante sobre as peças mecânicas e risco reduzido de falhas.
[0023] Uma vantagem importante adicional de altura mais curta do leito de catalisador é um descarregamento mais fácil do catalisador.
[0024] En resumo, os aspectos e características da presente invenção são:
1. Um método de realizar reações catalíticas exotérmicas compreendendo as etapas de passar um gás de processo fresco em paralelo a pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador dispostos em ordem empilhada, cada contendo, em série, uma ou mais zonas de catalisador, pelo menos uma das a zonas de catalisador é resfriada por um trocador de calor intra-leito; exotermicamente reagir o gás de processo fresco fluindo em direção de fluxo axial através de todas as de catalisador para um gás de produto; em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador, resfriar o gás de processo exotérmico reagindo com o gás de processo fresco e, assim, pré-aquecer o gás de processo fresco por passagem do gás de processo fresco a partir de um espaço anular externo formado em torno de cada um dos módulos cilíndricos de catalisador para dentro do trocador de calor intra-leito e passagem do gás de processo fresco através do trocador de calor intra-leito em troca de calor indireta com o gás de processo pré-aquecido exotérmico reagindo passando em direção de fluxo axial através da zona de catalisador resfriada; e coletar o gás de produto retirado dos pelo menos dois módulos de catalisador em um espaço central formado centralmente dentro dos pelo menos dois módulos de catalisador empilhados.
[0025] 2. O método de característica 1, em que pelo menos uma das zonas de catalisador conectadas em série é uma zona de catalisador adiabática.
[0026] 3. O método de característica 1, em que o gás de processo a partir de uma única zona de catalisador resfriada é passado em série através de uma única zona de catalisador adiabática.
[0027] 4. O método de qualquer uma das características 1 a 3, em que o trocador de calor de leito intra-leito compreende uma pluralidade de placas de resfriamento formando compartimentos de fluxo para o gás de processo fresco no trocador de calor intra-leito.
[0028] 5. O método de característica 4, em que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes varia dentro de + 10%.
[0029] 6. O método de característica 5, em que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 10 e 300 mm.
[0030] 7. O método de característica 6, em que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 20 e 150 mm.
[0031] 8. O método de qualquer uma das características a 7, em que cada uma das placas de resfriamento é essencialmente planar.
[0032] 9. O método de qualquer uma das características 5 a 8, em que as placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º nos módulos cilíndricos de catalisador e em que todas as placas de resfriamento em cada seção de 120º são essencialmente planares e paralelas.
[0033] 10. O método de característica 9, em que as placas de resfriamento essencialmente planares em qualquer uma das três seções de 120º são não paralelas às placas de resfriamento essencialmente planares em outra seção.
[0034] 11. O método de qualquer uma das características
1 a 10, em que o gás de processo fresco é passado através do trocador de calor intra-leito em fluxo em contra- corrente ou em fluxo em co-corrente com o gás de processo passando através das zonas de catalisador em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador.
[0035] 12. O método de qualquer uma das características 1 a 11, em que o gás de processo fresco é passado através do trocador de calor intra-leito em fluxo em contra- corrente com o gás de processo passando através das zonas de catalisador em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador.
[0036] 13. O método de qualquer uma das características 1 a 12, em que os módulos cilíndricos de catalisador têm o mesmo tamanho.
[0037] 14. Um reator para realizar reações exotérmicas, compreendendo dentro de um invólucro cilíndrico de pressão pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador operados em paralelo dispostos em ordem empilhada, cada contendo, em série, uma ou mais zonas de catalisador com uma camada de catalisador adaptada para fluxo axial, a camada de catalisador na pelo menos uma das zonas de catalisador é resfriada por um trocador de calor intra- leito; um espaço anular externo entre os módulos cilíndricos de catalisador e o invólucro cilíndrico de pressão conectado de modo fluido a pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos; na pelo menos uma zona de catalisador resfriada, meio de alimentação para o gás de processo fresco dentro da entrada do trocador de calor intra-leito, conectado de modo fluido ao espaço anular externo; a saída do trocador de calor intra-leito é formada por extremidades abertas do trocador de calor intra-leito na pelo menos uma zona de catalisador resfriada; coberturas fechando os pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos; e meios de saída a partir de pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos.
[0038] 15. O reator de característica 14, em que o meio de saída a partir dos pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos é disposto em um espaço central formado centralmente dentro dos pelo menos dois módulos de catalisador empilhados.
[0039] 16. O reator de característica 14 ou 15, em que pelo menos uma das zonas de catalisador em série é uma zona de catalisador adiabática.
[0040] 17. O reator de qualquer uma das características 14 a 16, tendo uma única zona de catalisador resfriada conectada em série com uma única zona adiabática.
[0041] 18. O reator de qualquer uma das características 14 a 17, em que o trocador de calor de leito intra-leito é um trocador de calor de placa com uma pluralidade de placas de resfriamento formando compartimentos de fluxo para gás de processo fresco no trocador de calor intra-leito.
[0042] 19. O reator de característica 17, em que à espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes varia dentro de + 10%.
[0043] 20. O reator de característica 19, em que à espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 10 e 300 mm.
[0044] 21. O reator de característica 19, em que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 20 e 150 mm.
[0045] 22. O reator de qualquer uma das características 18 a 21, em que cada uma das placas de resfriamento é essencialmente planar.
[0046] 23. O reator de qualquer uma das características 18 a 22, em que as placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º nos módulos cilíndricos de catalisador e em que todas as placas de resfriamento em cada seção de 120º são essencialmente planares e paralelas.
[0047] 24. O reator de característica 18 a 22, em que as placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º nos módulos cilíndricos de catalisador e em que as placas de resfriamento essencialmente planares em qualquer uma das três seções de 120º são não paralelas às placas de resfriamento essencialmente planares em outra seção.
[0048] 25. O reator de qualquer uma das características 14 a 24, em que os módulos cilíndricos de catalisador têm o mesmo tamanho.
[0049] 26. O reator de qualquer uma das características 17 a 25, em que as placas de resfriamento estão na forma de placas amortecedoras.
[0050] 27. O reator de qualquer uma das características 14 a 26, em que a entrada para o trocador de calor intra- leito é provida com meio de alimentação de gás conectado de modo fluido ao espaço anular externo.
[0051] 28. O reator de qualquer uma das características 14 a 27, em que os meios de saída a partir da zona de catalisador a mais inferior em cada um dos pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador operados em paralelo são conectados de modo fluido a um espaço central formado centralmente dentro dos pelo menos dois módulos de catalisador empilhados.
[0052] 29. O reator de qualquer uma das características 14 a 28, em que o reator contém meios de entrada adicionais para fornecimento de uma corrente adicional de gás de processo pré-aquecido.
[0053] 30. O reator de característica 29, em que o meio para fornecimento da corrente adicional de gás de processo pré-aquecido é disposto para se desviar do espaço anular externo e do trocador de calor intra-leito.
[0054] 31. O reator de qualquer uma das características 14 a 30, em que o reator contém meio para fornecer uma corrente adicional de gás de processo fresco.
[0055] 32. O reator de característica 30, em que o meio para fornecimento da corrente adicional de gás de processo fresco é disposto para se desviar do espaço anular externo e do trocador de calor intra-leito.
[0056] As características e vantagens da invenção serão mais evidentes com a seguinte descrição das Figuras e modalidades específicas.
[0057] Figura 1 é uma seção transversal simplificada de um conversor catalítico mostrando três módulos de catalisador empilhados cilíndricos, operando em paralelo dentro de um invólucro de pressão comum.
[0058] Figuras 2A a C mostram três exemplos de unidades de troca de calor a partir das quais um trocador de calor intra-leito pode ser construído.
[0059] Figuras 2D e E mostram exemplos de tipos de placas de resfriamento a partir das quais uma unidade de troca de calor pode ser construída.
[0060] Figura 3A mostra um exemplo da seção transversal de um módulo cilíndrico de catalisador, contendo uma zona de catalisador resfriada e um trocador de calor intra- leito. O trocador de calor intra-leito consiste nesta figura de placas de resfriamento paralelas verticalmente alinhadas colocadas dentro da zona de catalisador resfriada.
[0061] Figura 3B mostra uma seção transversal do módulo cilíndrico de catalisador de acordo com a vista A-A em Figura 3A. Similarmente, Figura 3C mostra a seção transversal de dois módulos cilíndricos de catalisador de acordo com a vista B-B em Figura 3A.
[0062] Figura 4 mostra outro exemplo da seção transversal de um módulo cilíndrico de catalisador, este módulo mantendo duas zonas adiabáticas de catalisador conectadas em série com uma única zona de catalisador resfriada.
[0063] Figuras 5A a C mostram exemplos de possíveis disposições de placas de resfriamento de módulos cilíndricos de catalisador em que o trocador de calor intra-leito de cada módulo é construído a partir de uma pluralidade de placas de resfriamento.
[0064] A invenção descreve um método de realizar reações catalíticas exotérmicas em que gás de processo fresco é passado em paralelo em pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador dispostos em ordem empilhada.
Figura 1 mostra um exemplo do conceito para a seção transversal de um conversor catalítico tendo três módulos de catalisador empilhados cilíndricos 1, operando em paralelo dentro de um invólucro de pressão comum 3. Nesta figura, o gás de processo fresco 9 entra no invólucro de pressão no fundo, ele flui em direção axial ascendente no espaço anular externo 2, localizado no meio entre o invólucro externo de pressão 3 e os módulos cilíndricos de catalisador 1. O gás de processo fresco entre cada um dos módulos cilíndricos de catalisador, em cada módulo, passa em um trocador de calor intra-leito (não mostrado) em que o gás de processo fresco é pré-aquecido antes de fluir em direção axial para baixo através de uma zona de catalisador resfriada e opcionalmente uma ou mais zonas adiabáticas de catalisador (as zonas não são mostradas em detalhes). O gás de produto a partir da zona de catalisador a mais inferior de cada módulo cilíndrico de catalisador é passado para um espaço central 4 formado centralmente dentro de dois ou mais módulos de catalisador quando empilhando os módulos dentro do invólucro de pressão. Na figura, o gás de produto combinado a partir do conversor 10 é retirado do fundo do invólucro de pressão.
[0065] Figura 2 mostra três exemplos de unidades de troca de calor 11 a partir das quais um trocador de calor intra-leito pode ser construído. Figura 2A é um exemplo onde cada unidade de troca de calor 11 consiste em meio de alimentação 5 e uma placa de resfriamento 6. Figura 2B mostra o mesmo princípio como em Figura 2A, com meio de alimentação 5, mas, neste caso, a unidade de troca de calor 11 é construída a partir de um número de mais partes estreitas da placa de resfriamento 12. Figura 2C é um terceiro exemplo de uma unidade de troca de calor 11 onde meios de alimentação 5 são conectados a tubos de resfriamento 13. Em cada caso mostrado em Figuras 2A aàa C, meio de alimentação 5, localizado no fundo de cada unidade de troca de calor 11, proporciona uma distribuição uniforme do gás de processo fresco ao longo da largura da placa de resfriamento 6 após o que o gás de processo fresco flui em direção ascendente axial através da unidade de troca de calor 11.
[0066] A invenção não é limitada aos exemplos acima de unidades de troca de calor mostradas em Figuras 2A a C. Outras geometrias diferentes de placas de resfriamento 6, partes de placas de resfriamento mais estreitas 12 ou tubos de resfriamento 13 podem ser usadas, e meios de alimentação podem ser alternativamente colocados acima dos mesmos de modo a fornecer fluxo axial para baixo de gás de processo fresco dentro de cada unidade de troca de calor 11. Figuras 2D e E mostram exemplos de tipos de placa de resfriamento a partir dos quais uma unidade de troca de calor pode ser construída. A placa de resfriamento 6 mostrada em Figura 2D e E é do tipo de placa amortecedora. Uma linha de simetria 19 é indicada na Figura 2D.
[0067] Figura 3A mostra a seção transversal de um módulo cilíndrico de catalisador 1, contendo uma zona de catalisador resfriada 14. Um espaço anular externo 2, está localizado no meio entre o invólucro externo de pressão 3 e o módulo cilíndrico de catalisador 1. Um trocador de calor intra-leito, consistindo em placas de resfriamento paralelas verticalmente alinhadas 6 e meios de alimentação
(não mostrados), é colocado dentro da zona de catalisador resfriada 14. Setas em Figura 3A, apontando para o interior nas placas de resfriamento, significam o fluxo de gás de processo fresco a partir do espaço anular externo 2 para dentro do trocador de calor intra-leito.
[0068] Figura 3B mostra a seção transversal do módulo cilíndrico de catalisador de acordo com a vista A-A em Figura 3A. Esta vista mostra que o módulo consiste em uma zona de catalisador resfriada 14 conectada em série com uma zona de catalisador adiabática 15 colocada abaixo da zona de catalisador resfriada. Gás de processo fresco é enviado para dentro do trocador de calor intra-leito através de meios de alimentação 5. Neste exemplo da invenção, o gás de processo fresco flui em direção axial ascendente através das placas de resfriamento, este fluxo estando em contra- corrente com relação ao fluxo axial descendente na zona de catalisador resfriada 14. A zona de catalisador 14 é resfriada por troca de calor com o gás de processo fresco, sendo passado através das placas de resfriamento 6. O gás de processo parcialmente convertido a partir da zona de catalisador resfriada flui em série para a zona de catalisador adiabática 15 do módulo de catalisador 1 onde ele é ainda convertido em um gás de produto.
[0069] Figura 3C mostra a seção transversal de dois módulos cilíndricos de catalisador de acordo com a vista B- B em Figura 3A. Gás de processo fresco é introduzido a partir de um espaço anular externo 2 nas unidades de troca de calor 11, cada consistindo em meios de alimentação 5 e uma placa de resfriamento 6. O gás de processo fresco é distribuído uniformemente ao longo da largura da placa de resfriamento 6 à medida que ele flui através dos meios de alimentação 5. O gás de processo fresco então flui em direção axial ascendente através da placa de resfriamento durante o que ele é pré-aquecido ao retirar parte do calor de reação gerado pela reação exotérmica ocorrendo na zona de catalisador resfriada 14 localizada no meio entre as placas de resfriamento 6. No presente exemplo, o gás de processo fresco pré-aquecido deixa as placas de resfriamento no topo, gira em torno de e flui axialmente para baixo através da primeira zona resfriada com gás 14 seguida pela zona de catalisador adiabática 15 antes de ser passado para o espaço central 4 de onde ele flui para a saída do conversor (não mostrado). Também é mostrado um sistema direto de gás de entrada 7 que serve à finalidade de fornecer gás de processo pré-aquecido para o catalisador carregado nos módulos de catalisador 1 durante redução do catalisador e/ou com a finalidade de enviar gás de processo fresco não pré-aquecido para a zona de catalisador superior, aqui 14, permitindo controle do nível de temperatura do catalisador durante operação normal. Este sistema direto de gás de entrada 7 é disposto para se desviar do espaço anular externo 2 e, assim, evitar exceder a temperatura de projeto do invólucro de pressão 3 durante redução do catalisador.
[0070] Figura 4 mostra outra disposição coberta pela invenção. Aqui, um módulo de catalisador 1 é colocado dentro de um invólucro de pressão 3, este módulo de catalisador contendo uma zona de catalisador adiabática superior 16 conectada em série com uma zona de catalisador resfriada 17 seguida, em série, por outra zona de catalisador adiabática inferior 18. Gás de processo fresco flui a partir de um espaço anular externo 2 para dentro de meio de alimentação 5, em que o gás de processo fresco é distribuído ao longo da largura da placa de resfriamento 6. Em contraste com a Figura 3, o gás de processo fresco na Figura 4 é aquecido à medida que ele flui para baixo na direção axial através da placa de resfriamento 6. A fim de ser levado para o catalisador, meios de transporte 8 são dispostos para passar o gás de processo fresco pré- aquecido, a partir da saída da placa de resfriamento, para a zona de catalisador adiabática superior 16. No presente exemplo, o fluxo de gás de processo fresco dentro da placa de resfriamento 6 está em co-corrente com o fluxo de gás de processo na zona de catalisador resfriada 17.
[0071] Finalmente, Figuras 5A a C mostram modalidades específicas da invenção. Cada figura ilustra um módulo cilíndrico de catalisador 1, contendo uma zona de catalisador resfriada e um trocador de calor intra-leito, consistindo em placas de resfriamento paralelas verticalmente alinhadas 6 e meios de alimentação (não mostrados aqui). Um espaço anular externo 2 está localizado no meio entre o invólucro externo de pressão 3 e o módulo cilíndrico de catalisador 1. Em detalhes, a Figura 5A mostra placas de resfriamento com disposição cilíndrica, tendo uma distância constante entre placas adjacentes. Em Figura 5B, placas de resfriamento são dispostas em quatro seções de 90º no módulo cilíndrico de catalisador 1 em que todas as placas de resfriamento em cada seção de 90º são planares e paralelas. Na Figura 5C, placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º no módulo cilíndrico de catalisador 1, em que todas as placas de resfriamento em cada seção de 120º são planares e paralelas. Em todos os três casos, a espessura da camada de catalisador localizada no meio entre duas placas de resfriamento adjacentes é constante, como obtido pela escolha preferida de placas de resfriamento paralelas. Isto assegura um resfriamento do catalisador mais homogêneo na zona de catalisador resfriada e, consequentemente, condições de reação e eficácia catalítica melhoradas com relação às condições de reação obtidas com a técnica anterior.
[0072] Uma investigação do conceito proposto da invenção foi feita para aplicação em síntese de amônia com referência ao presente 'estado da técnica” sendo um conversor de fluxo radial porque ele é atualmente a escolha preferida para as instalações de produção de amônia em larga escala. Em detalhes, os métodos da invenção foram comparados para um conversor de fluxo radial de três leitos tendo dois trocadores de calor inter-leito para pré- aquecimento de gás de processo fresco e para resfriamento no meio entre os leitos de catalisador.
[0073] O conversor, de acordo com a invenção, foi equipado com vários módulos cilíndricos de catalisador operados em paralelo ajustados para dar uma queda de pressão total do conversor abaixo de 1 kg/cmº. Cada módulo de catalisador consistia de uma zona de catalisador resfriada, mantendo um trocador de calor intra-leito conectado em série com uma zona de catalisador adiabática. Fluxo axial através de ambas as zonas de catalisador de cada módulo de catalisador foi utilizado. O trocador de calor intra-leito de cada módulo de catalisador consistia de placas de resfriamento paralelas provendo espessura constante da camada de catalisador na zona de catalisador resfriada. O tamanho do invólucro de pressão, aplicado para os dois tipos de conversor, foi igual. Além disso, a pressão do circuito aplicada foi igual e o mesmo catalisador de amônia foi considerado em ambos os casos.
[0074] Resultados principais são dados na Tabela abaixo.
TABELA o neem Conversor de ; Conversor de a fluxo radial do Parâmetro acordo com à 'estado da : z . , invenção técnica Volume de carregamento - 242 adicional de catalisador Í Melhora da taxa de produção - 4,5% de catalisador específica oO Capacidade adicional do . - 30% conversor (taxa de produção) Redução da queda de pressão - 64% Redução de altura máxima da - 558 zona de catalisador Í Redução de peso do leito de o - 53% catalisador
[0075] A investigação mostra que os métodos da presente invenção fornecem várias proposições de valor comparadas com a técnica anterior: e Melhor utilização do volume do invólucro de pressão disponível é obtida e 24% a mais de catalisador podem ser carregados em um invólucro de pressão idêntico.
[0076] e A taxa de produção específica do catalisador, em toneladas métricas de amônia produzida por dia por volume de catalisador, é melhorada por 4,5 %, obtidos pelas placas de resfriamento colocadas em paralelo nos módulos cilíndricos fornecendo uma espessura constante da camada de catalisador e condições melhoradas de reação para oO catalisador da zona de catalisador resfriada.
[0077] e O efeito sinergístico dos dois pontos acima assegura a capacidade de produzir 30% a mais de amônia dentro de um invólucro de pressão fixo. Isto é uma conquista significante de grande valor tanto nos cenários de renovação, bem como para as instalações de base. Economias associadas com os custos de investimentos serão notadas no invólucro de pressão.
[0078] e A queda de pressão sobre o conversor foi, na presente investigação, diminuída por não menos do que 64% possibilitando custos reduzidos de operação e eficácia de energia melhorada.
[0079] e A altura máxima da zona de catalisador foi reduzida por 75%, proporcionando forças de catalisador significativamente reduzidas sobre as peças mecânicas e risco reduzido de falhas.
[0080] e O peso do leito de catalisador foi diminuído por 53%, como obtido pelo conceito de módulos de catalisador operando em paralelo. Isto facilita a possibilidade de carregar o catalisador no chão, e instalar o catalisador e equipamento (módulos) simultaneamente ao elevar os módulos pré-carregados diretamente dentro do invólucro de pressão visando um tempo de instalação reduzido.
Claims (32)
1. Método de realizar reações catalíticas exotérmicas, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de passar um gás de processo fresco em paralelo a pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador dispostos em ordem empilhada, cada contendo, em série, uma ou mais zonas de catalisador, pelo menos uma das zonas de catalisador é resfriada por um trocador de calor intra-leito; exotermicamente reagir o gás de processo fresco fluindo em direção de fluxo axial através de todas as zonas de catalisador para um gás de produto; em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador, resfriar o gás de processo exotérmico reagindo com o gás de processo fresco e, assim, pré-aquecer o gás de processo fresco por passagem do gás de processo fresco a partir de um espaço anular externo formado em torno de cada um dos módulos cilíndricos de catalisador para dentro do trocador de calor intra-leito e passagem do gás de processo fresco através do trocador de calor intra-leito em troca de calor indireta com o gás de processo pré-aquecido exotérmico reagindo passando em direção de fluxo axial através da zona de catalisador resfriada; e coletar o gás de produto retirado dos pelo menos dois módulos de catalisador em um espaço central formado centralmente dentro dos pelo menos dois módulos de catalisador empilhados.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das zonas de catalisador conectadas em série é uma zona de catalisador adiabática.
3. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o gás de processo a partir de uma única zona de catalisador resfriada é passado em série através de uma única zona de catalisador adiabática.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor de leito intra-leito compreende uma pluralidade de placas de resfriamento formando compartimentos de fluxo para o gás de processo fresco no trocador de calor intra-leito.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes varia dentro de + 10%.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 10 e 300 mm.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 20 e 150 mm.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações a 7, caracterizado pelo fato de que cada uma das placas de resfriamento é essencialmente planar.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a 8, caracterizado pelo fato de que as placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º nos módulos cilíndricos de catalisador e em que todas as placas de resfriamento em cada seção de 120º são essencialmente planares e paralelas.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as placas de resfriamento essencialmente planares em qualquer uma das três seções de 120º são não paralelas às placas de resfriamento essencialmente planares em outra seção.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o gás de processo fresco é passado através do trocador de calor intra-leito em fluxo em contra-corrente ou em fluxo em co- corrente com o gás de processo passando através das zonas de catalisador em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador.
12. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o gás de processo fresco é passado através do trocador de calor intra-leito em fluxo em contra-corrente com o gás de processo passando através das zonas de catalisador em cada um dos módulos cilíndricos de catalisador.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que os módulos cilíndricos de catalisador têm o mesmo tamanho.
14. Reator para realizar reações exotérmicas, caracterizado pelo fato de que compreende dentro de um invólucro cilíndrico de pressão pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador operados em paralelo dispostos em ordem empilhada, cada contendo, em série, uma ou mais zonas de catalisador com uma camada de catalisador adaptada para fluxo axial, a camada de catalisador na pelo menos uma das zonas de catalisador é resfriada por um trocador de calor intra-
leito; um espaço anular externo entre os módulos cilíndricos de catalisador e o invólucro cilíndrico de pressão conectado de modo fluido a pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos; na pelo menos uma zona de catalisador resfriada, meios de alimentação para o gás de processo fresco dentro da entrada do trocador de calor intra-leito, conectado de modo fluido ao espaço anular externo; a saída do trocador de calor intra-leito é formada por extremidades abertas do trocador de calor intra-leito na pelo menos uma zona de catalisador resfriada; coberturas fechando os pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos; e meios de saída dos pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos.
15. Reator de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o meio de saída a partir dos pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador paralelos é disposto em um espaço central formado centralmente dentro dos pelo menos dois módulos de catalisador empilhados.
16. Reator de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das zonas de catalisador em série é uma zona de catalisador adiabática.
17. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de ter uma única zona de catalisador resfriada conectada em série com uma única zona adiabática.
18. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado pelo fato de que o trocador de calor de leito intra-leito é um trocador de calor de placa com uma pluralidade de placas de resfriamento formando compartimentos de fluxo para gás de processo fresco no trocador de calor intra-leito.
19. Reator de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes varia dentro de t+ 10%.
20. Reator de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 10 e 300 mm.
21. Reator de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de catalisador resfriada entre duas placas de resfriamento adjacentes está entre 20 e 150 mm.
22. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 21, caracterizado pelo fato de que cada uma das placas de resfriamento é essencialmente planar.
23. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 18 a 22, caracterizado pelo fato de que as placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º nos módulos cilíndricos de catalisador e em que todas as placas de resfriamento em cada seção de 120º são essencialmente planares e paralelas.
24. Reator de acordo com a reivindicação 18 a 22, caracterizado pelo fato de que as placas de resfriamento são dispostas em três seções de 120º nos módulos cilíndricos de catalisador e em que as placas de resfriamento essencialmente planares em qualquer uma das três seções de 120º são não paralelas às placas de resfriamento essencialmente planares em outra seção.
25. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 24, caracterizado pelo fato de que os módulos cilíndricos de catalisador têm o mesmo tamanho.
26. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 25, caracterizado pelo fato de que as placas de resfriamento estão na forma de placas amortecedoras.
27. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 26, caracterizado pelo fato de que a entrada para o trocador de calor intra-leito é provida com meio de alimentação de gás conectado de modo fluido ao espaço anular externo.
28. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 27, caracterizado pelo fato de que os meios de saída a partir da zona de catalisador a mais inferior em cada um dos pelo menos dois módulos cilíndricos de catalisador operados em paralelo são conectados de modo fluido a um espaço formado centralmente dentro dos pelo menos dois módulos de catalisador empilhados.
29. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 28, caracterizado pelo fato de que o reator contém meio de entrada adicional para fornecer uma corrente adicional de gás de processo pré-aquecido.
30. Reator de acordo com a reivindicação 29, caracterizado pelo fato de que o meio para fornecimento da corrente adicional de gás de processo pré-aquecido é disposto para se desviar do espaço anular externo e do trocador de calor intra-leito.
31. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 30, caracterizado pelo fato de que o reator contém meio para o fornecimento de uma corrente adicional de gás de processo fresco.
32. Reator de acordo com a reivindicação 30, caracterizado pelo fato de que o meio para fornecimento da corrente adicional de gás de processo fresco é disposto para se desviar do espaço anular externo e do trocador de calor intra-leito.
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