BR112020024658A2 - processo para iniciar uma reação contínua em um sistema de reator - Google Patents
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Abstract
Trata-se de um processo para iniciar
uma reação contínua em um sistema de reator que inclui introduzir um
catalisador em uma porção de processamento de catalisador do sistema de
reator, sendo que o catalisador tem inicialmente uma primeira
temperatura de 500°C ou menos, e colocar o catalisador na primeira
temperatura em contato com uma corrente de gás combustível de início,
que inclui pelo menos 80% em mol de gás combustível de início, na porção
de processamento do catalisador. O contato do catalisador com a
corrente de gás combustível de início causa a combustão do gás
combustível de início. O processo inclui manter o contato do catalisador
com a corrente de gás combustível de início até que a temperatura do
catalisador aumente da primeira temperatura para uma segunda temperatura
na qual a combustão de uma fonte de combustível regenerador mantém uma
faixa de temperatura operacional na porção de processamento do
catalisador.
Description
[001] Este pedido reivindica prioridade do Pedido Provisório nº US 62/694.190, depositado em 5 de julho de 2018, cuja divulgação completa é incorporada ao presente documento a título de referência.
[002] A presente divulgação geralmente se refere a sistemas de processamento químico e a operação dos mesmos e, mais especificamente, a processos para iniciar a operação de sistemas de processamento químico.
[003] Olefinas leves podem ser utilizadas como materiais de base para produzir muitos tipos de produtos e materiais. Por exemplo, o etileno pode ser utilizado para fabricar polietileno, cloreto de etileno ou óxidos de etileno. Tais produtos podem ser utilizados em embalagem de produtos, construção, produtos têxteis etc. Desse modo, há uma demanda industrial de olefinas leves, tais como etileno, propileno e buteno.
[004] As olefinas leves podem ser produzidas por diferentes processos de reação dependendo da dada corrente de alimentação química, tal como uma corrente de produto de uma operação de refino de óleo cru. Muitas olefinas leves podem ser produzidas através de processos catalíticos, como hidrogenação catalítica, por exemplo, nos quais a corrente de alimentação é colocada em contato com um catalisador fluidizado que facilita a conversão da corrente de alimentação nas olefinas leves.
[005] No entanto, em algum ponto, a operação do reator deve ser interrompida e iniciada novamente (ou iniciada pela primeira vez). Por exemplo, com o tempo, o catalisador pode ser desativado e deve ser removido do processo de reação e substituído. A limpeza do reator também pode ser necessária ou o mau funcionamento periódico do reator pode causar desligamentos indesejados.
[006] Há uma necessidade contínua de processos aprimorados para iniciar operações de sistemas de reatores, como sistemas de reatores que processam correntes químicas para produzir olefinas leves ou outros produtos químicos. Muitos sistemas de reator para processamento de correntes químicas para produzir olefinas leves e outros produtos químicos utilizam catalisador quente, como aqueles que foram aquecidos a temperaturas superiores a 350ºC. O catalisador pode ser circulado através de sistemas de reator fluidizado, como através de uma porção de reação (na qual são produzidos produtos químicos) e através de uma porção de processamento de catalisador (na qual o catalisador é regenerado, tal como por remoção de coque, por aquecimento do catalisador ou por outros processos). Conforme usado neste documento, o termo "sistema de reator fluidizado" se refere a um sistema de reator no qual um ou mais reagentes são colocados em contato com um catalisador fluidizado. Por exemplo, em um sistema de reator fluidizado, uma corrente de alimentação contendo um ou mais reagentes pode entrar em contato com o catalisador circulante a uma temperatura operacional para conduzir uma reação contínua para produzir a corrente de produto.
[007] Em sistemas de reator fluidizado endotérmico, o sistema de reator inclui uma fonte de calor para conduzir o processo. Por exemplo, em reações de craqueamento catalítico fluidizado ("FCC"), o coque gerado pela reação e depositado no catalisador pode ser queimado no regenerador durante a operação em estado estacionário. Como outro exemplo não limitante, em reações de desidrogenação catalítica fluidizada (FCDh), combustível suplementar pode ser adicionado a um combustor para fornecer o calor para a reação endotérmica junto com a combustão de uma pequena quantidade de coque da reação. Os combustíveis suplementares podem incluir proporções significativas de metano devido ao custo acessível do metano e sua eficiência energética em temperaturas relativamente altas, como as do catalisador durante a operação (por exemplo, temperaturas acima de 650ºC). No entanto, para a combustão do metano, a taxa de conversão e a eficiência energética são relativamente baixas em temperaturas abaixo de 650 graus Celsius (ºC) (por exemplo, menos de 40%). Durante o início da reação contínua nos sistemas de reator fluidizado, o catalisador pode ser aquecido para aumentar a temperatura do catalisador para a temperatura de operação do sistema de reator. No entanto, esse aquecimento pode ser ineficiente, ou mesmo impossível quando se utiliza metano como uma fonte de combustível para combustão catalítica dentro do regenerador devido às baixas taxas de conversão de metano a temperaturas inferiores a 650ºC.
[008] De acordo com uma ou mais modalidades, uma vez que o metano no combustível suplementar não entra em combustão a uma alta taxa de conversão a temperaturas inferiores a 650ºC, alguns sistemas de reação fluidizados podem incluir uma fonte de calor externa, tal como uma corrente de gás aquecida por combustão de um combustível conduzida por chama, para aumentar a temperatura do catalisador no sistema de reator durante o início da reação contínua. Os sistemas de reator fluidizado podem incluir recipientes e outros componentes que podem ser refratários revestidos e projetados para as temperaturas de operação do processo. As temperaturas de operação do processo se referem às temperaturas do catalisador no sistema de reator na operação de estado estacionário do sistema de reator. Recipientes com revestimento refratário operando em altas temperaturas (por exemplo, temperaturas de processo interno maiores que 350ºC e temperaturas da parede do revestimento do equipamento com revestimento refratário entre 80ºC e 200ºC) podem perder uma quantidade significativa de calor para o ambiente. Portanto, se o calor externo (por exemplo, corrente de gás aquecida) for disparado para as temperaturas normais de operação do sistema do reator, ou uma temperatura ligeiramente inferior às temperaturas de operação por causa das limitações do projeto do distribuidor de ar, a temperatura de equilíbrio do catalisador no fluido leito será substancialmente menor do que as temperaturas de operação do sistema de reator devido à perda de calor do vaso. Portanto, há uma lacuna entre a temperatura de equilíbrio alcançável pela fonte de calor externa e as temperaturas de operação do sistema de reator, cujas temperaturas de operação podem ser necessárias para queimar o combustível suplementar ou coque.
[009] Para superar essa diferença de temperatura, alguns sistemas de reator fluidizado podem incluir um sistema de óleo combustível para queimar um óleo combustível ou querosene dentro de um combustor da porção de processamento do catalisador durante o início para aumentar ainda mais a temperatura do catalisador a uma temperatura suficiente para queimar o combustível suplementar (ou seja, metano) e/ou coque em uma conversão necessária para manter a operação em estado estacionário do sistema do reator. No entanto, os sistemas de óleo combustível requerem equipamentos especializados, como tanques de armazenamento, equipamentos de controle, bombas, equipamentos de descarregamento e distribuidores de óleo combustível dentro do combustor, por exemplo, para armazenar e manusear o óleo combustível. Esse equipamento especializado para os sistemas de óleo combustível aumenta substancialmente o custo de capital dos sistemas de reator fluidizado. Por essas razões, tais sistemas de óleo combustível podem ser indesejáveis e não usados nas modalidades divulgadas no presente documento.
[0010] Portanto, há uma necessidade contínua de processos para iniciar reações contínuas em sistemas de reator que aquecem de forma eficiente o sistema de reator e o catalisador para a faixa de temperatura de operação do sistema de reator sem exigir um sistema de óleo combustível. De acordo com uma ou mais modalidades, um processo para iniciar a reação contínua no sistema de reator da presente divulgação inclui o aquecimento do catalisador até a temperatura de operação do sistema de reator colocando o catalisador, que pode incluir platina, paládio ou combinações dos mesmos, em contato com uma corrente de gás combustível de início que inclui um gás combustível de início. Tal como utilizado no presente documento, o termo "gás combustível de início" se refere a um gás combustível que sofre combustão na presença do catalisador a uma conversão superior a 50% a temperaturas inferiores a 500ºC. O contato do catalisador com a corrente de gás combustível de início pode causar a combustão do gás combustível de início em altas taxas de conversão a temperaturas inferiores a 500ºC. Por exemplo, em algumas modalidades, o gás combustível de início pode incluir hidrogênio. Verificou-se que, em temperaturas maiores ou iguais a 100ºC, o contato do hidrogênio com um catalisador de platina e/ou paládio pode resultar em uma conversão de hidrogênio de quase 100%. A corrente de gás combustível de início também pode incluir gases de combustível de início diferentes de hidrogênio, conforme discutido em mais detalhes neste documento. Utilizar o gás combustível de início para aquecer o catalisador durante o início da reação contínua no sistema de reator pode reduzir ou eliminar os custos de capital adicionais do sistema de reator fluidizado reduzindo-se ou eliminando-se a necessidade de um sistema de óleo combustível para o combustor.
[0011] De acordo com um ou mais aspectos da presente divulgação, um processo para iniciar a reação contínua em um sistema de reator pode incluir introduzir um catalisador em uma porção de processamento de catalisador do sistema de reator, sendo que o catalisador tem inicialmente uma primeira temperatura de 500ºC ou menos, e colocar o catalisador na primeira temperatura em contato com uma corrente de gás combustível de início compreendendo pelo menos 80% em mol de um gás combustível de início na porção de processamento do catalisador. O contato do catalisador com a corrente de gás combustível de início pode causar a combustão do gás combustível de início. O processo pode incluir ainda manter o contato do catalisador com a corrente de gás combustível de início até que a temperatura do catalisador aumente da primeira temperatura para uma segunda temperatura na qual a combustão de uma fonte de combustível regenerador mantém uma faixa de temperatura operacional na porção de processamento do catalisador.
[0012] Deve-se entender que tanto o breve sumário anterior quanto a descrição detalhada a seguir apresentam modalidades da tecnologia e visam fornecer uma visão geral ou estrutura para entender a natureza e o caráter da tecnologia conforme é reivindicada. Os desenhos anexos são incluídos para fornecer um entendimento adicional da tecnologia e são incorporados no presente relatório descritivo e constituem parte do mesmo. Os desenhos ilustram várias modalidades e, junto da descrição, servem para explicar os princípios e operações da tecnologia. Adicionalmente, os desenhos e as descrições se destinam a ser meramente ilustrativos e não se destinam a limitar o escopo das reivindicações de modo algum.
[0013] Características e vantagens adicionais da tecnologia divulgada no presente documento serão estabelecidas na descrição detalhada a seguir e, em parte, serão prontamente evidentes para as pessoas versadas na técnica a partir da descrição ou reconhecidas praticando a tecnologia conforme descrito no presente documento, incluindo a descrição detalhada a seguir, as reivindicações, assim como os desenhos anexos.
[0014] A descrição detalhada a seguir de modalidades específicas da presente divulgação pode ser mais bem entendida quando lida em combinação com desenhos a seguir, em que estrutura semelhante é indicada com numerais de referência similares e nos quais: A Figura | representa esquematicamente um sistema de reator de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento; A Figura 2 representa esquematicamente um gráfico da conversão de metano (eixo y) em função da temperatura (eixo x) para a combustão de metano; A Figura 3 representa esquematicamente um gráfico de conversão de hidrogênio (eixo y (esquerda)) e temperatura (eixo y (direita)) em função do tempo na corrente (eixo x) para a combustão catalítica de hidrogênio na presença de um catalisador de platina, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento; A Figura 4 retrata esquematicamente um fluxograma de sistema de reação, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento; A Figura 5 retrata esquematicamente outro fluxograma de sistema de reação, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento; e A Figura 6 representa esquematicamente um gráfico de conversão de etileno (eixo y (esquerda)) e temperatura (eixo y (direita)) em função do tempo na corrente (eixo x) para a combustão catalítica de etileno na presença de um catalisador de platina, de acordo com uma ou mais modalidades descritas no presente documento.
[0015] Deve ser entendido que os desenhos são de natureza esquemática e não incluem alguns componentes de um sistema de reator empregado comumente na técnica, tal como, sem limitação, transmissores de temperatura, transmissores de pressão, medidores de fluxo, bombas, válvulas e semelhantes. Seria conhecido que esses componentes estão dentro do espírito e escopo das presentes modalidades divulgadas. No entanto, componentes operacionais, tais como aqueles descritos na presente divulgação, podem ser adicionados às modalidades descritas nesta divulgação.
[0016] Será feita referência agora em mais detalhes a várias modalidades, algumas modalidades das quais são ilustradas nos desenhos anexos. Sempre que possível, os mesmos numerais de referência serão usados em todos os desenhos para se referir às mesmas partes ou a partes semelhantes.
[0017] A presente divulgação é direcionada a processos para iniciar reações em um sistema de reator que utiliza um catalisador. Por exemplo, em algumas modalidades, o processo para iniciar uma reação contínua no sistema de reator pode incluir a introdução de um catalisador em uma porção de processamento de catalisador do sistema de reator. O catalisador pode ser um catalisador capaz de catalisar a combustão do gás combustível de início. O catalisador inicialmente pode ter uma primeira temperatura de 500ºC ou menos. O processo pode incluir ainda colocar o catalisador na primeira temperatura em contato com uma corrente de gás combustível de início compreendendo pelo menos 80% em mol de gás combustível de início. O contato do catalisador com a corrente de gás combustível de início pode causar a combustão de pelo menos uma porção do gás combustível de início. O processo pode ainda incluir manter o contato do catalisador com a corrente de gás combustível de início até que a temperatura do catalisador aumente da primeira temperatura para uma segunda temperatura na qual a combustão de uma fonte de combustível regenerador (tal como metano) pode ser utilizada para manter uma faixa de temperatura operacional na porção de processamento do catalisador.
[0018] A combustão catalítica do gás combustível de início pode ocorrer na primeira temperatura do catalisador, que é inferior a 500ºC, e pode produzir calor suficiente para aquecer o catalisador a uma segunda temperatura, que pode estar dentro da faixa de temperatura operacional do reator sistema e/ou superior a uma temperatura na qual o metano pode ser usado como o combustível suplementar, sem queimar um óleo combustível,
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