BRPI0407147B1 - Reator pseudo-isotérmico radial - Google Patents

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Ermanno Filippi
Enrico Rizzi
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Methanol Casale Sa
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Description

"Reator pseudo-isotérmico radial".
No seu aspecto mais genérico, a presente invenção refere-se a um reator químico pseudo-isotérmico radial para reações catalíticas, que compreende um invólucro substancialmente cilíndrico fechado nas extremidades opostas por respectivas placas de base, uma zona de reação na qual pelo menos um respectivo leito catalítico e uma pluralidade de trocadores de calor posicionados na referida zona de reação estão sustentados.
Ao longo da descrição e nas reivindicações seguintes, com o termo "reator pseudo-isotérmico" identificar-se-á um reator para reações químicas no qual a temperatura de reação é controlada dentro de uma faixa limitada de valores em torno de um valor otimizado determinado previamente.
Mais ainda, com referencia ao eixo principal do reator, a transição da zona de reação pelos reactantes e produtos da reação ocorre na direção radial. Técnica Anterior Como é de conhecimento geral, em todos os reatores pseudo-isotérmicos é essencial que reactantes e produtos permaneçam no interior do reator por um tempo de residência determinado previamente, que permita aos reactantes a reagir e a mistura de reactantes e produtos a trocar calor com o exterior do reator, por exemplo, através de um trocador de calor disposto no interior da zona de reação de modo a se manterem as condições pseudo-isotérmicas dentro do próprio reator durante o avanço da reação.
Na técnica anterior, são amplamente utilizados reatores pseudo-isotérmicos com um leito catalítico atravessado axialmente pelos reactantes.
Esses reatores permitem a obtenção de capacidades de produção elevadas, porém a passagem do gás através do leito catalítico gera quedas de pressão elevada.
Para se evitarem as quedas de pressão citadas, foi proposta a redução da altura do leito catalítico e, simultaneamente, o aumento do seu raio para se manter a produção sera variações.
Reatores feitos dessa forma, por exemplo, com um invólucro de diâmetro maior, são, no entanto dispendiosos do ponto de vista construtivo.
Para solucionar o problema da queda de pressão e, simultaneamente, tornar a construção de reatores químicos pseudo-isotérmicos com custo mais eficiente, tem se desenvolvido reatores com transposição radial do leito catalítico, que se estendem substancialmente na direção da altura, com um raio, por exemplo, em síntese de amônia, entre altura e diâmetro igual em torno de 10.
Estes reatores solucionam os problemas das quedas de pressão citadas e os problemas econômicos associados à construção de invólucros de grandes diâmetros, porem introduzem uma reconhecida desvantagem.
Nos referidos reatores, de fato, devido ao comprimento substancial do leito catalítico, tem-se notado que os reactantes gasosos, depois de distribuídos ao longo da parede de entrada do referido leito, apresentam uma velocidade de cruzamento insuficiente para o próprio leito. A referida velocidade de cruzamento influencia de forma negativa o coeficiente de troca de calor entre reactantes e placas de troca de calor.
Por estas razões, não é mais possível um controle otimizado da pseudo-isotermicidade da reação.
Sumário da Invenção 0 problema técnico subjacente da presente invenção é àquele de se realizar um reator químico do gênero mencionado, que apresente características estruturais e funcionais tais que permitam um controle efetivo da pseudo-isotermicidade da reação de modo a vencer os inconvenientes da técnica anterior descrita. 0 problema técnico mencionado é solucionado pela provisão de um reator químico pseudo-isotérmico radial para reações catalíticas que compreende um invólucro substancialmente cilíndrico fechado nas extremidades opostas por respectivas placas de base, uma zona de reação que compreende um respectivo leito catalítico e uma pluralidade de trocadores de calor posicionados no referido leito catalítico, que se distingue por compreender no mínimo uma segunda zona adicional de reação, que compreende um respectivo leito catalítico e uma pluralidade de trocadores de calor posicionados no leito catalítico respectivo da referida segunda zona de reação, as referidas primeira e segunda zonas de reação estando em comunicação por fluido entre si.
Breve Descrição as Figuras A Fig. 1 mostra esquematicamente uma vista em corte de um reator químico para a realização da invenção.
As Fig. 2 e 3 mostram respectivamente, uma vista em corte de um detalhe a Fig. 1.
Descrição detalhada de uma modalidade preferida da invenção.
Com referencia a figura 1, um reator químico pseudo-ísotérmico radial, com eixo vertical A-A, indicado de forma genérica pela referência numérica 1, é geralmente usado para realizar reações químicas, ativado pela presença de um catalisador, neste caso específico não limitatívo, para síntese de airtônia. 0 referido reator 1 compreende um invólucro cilíndrico 2 e placas de base opostas, inferior 3 e superior 4. A placa de base superior 4 é equipada com uma abertura 5 para a entrada de reactantes, enquanto que a placa de base inferior 3 é equipada com uma abertura 6 para a descarga de produtos de reação. 0 referido invólucro 2 compreende um cartucho 7, cilíndrico e coaxial com o referido invólucro 2, no qual uma primeira zona de reação 8 é definida, representada entre uma línea superior 9 e uma línea inferior 10, para sustentar um leito catalítico 11 previamente determinado, (que é sustentado de uma forma em si conhecida é, portanto não representada), destinado para ser atravessado na direção radial pelos gases reactantes. 0 referido leito catalítico 11 é circunscrito ao longo da direção paralela ao eixo A-A por paredes 12 e 13, interna e externa respectivamente, de uma cesta 14, cilíndrica, substancialmente aneliforme, que são perfuradas de modo a possibilitar a passagem radial dos reactantes através do leito catalítico 11. A referida cesta 14 também é fechada na base por uma placa de base 18 disposta na altura da línea 10.
Um duto central indicado com 17, cilíndrico e coaxial com o referido invólucro 2, se estende a partir da primeira câmara 18 para captar o gás reactante, circunscrito na base pela línea 9, ate uma segunda câmara 19 para captar os gases provenientes da primeira zona de reação 8, circunscrita no topo pela línea 10.
Entre a referida cesta 14 e o cartucho 7 existe uma fenda 20 para a distribuição dos reactantes dentro do leito catalítico 11. Na mesma forma, entre a cesta 14 e o conduto central 17 existe uma fenda 21 que capta a mistura produto/reactante proveniente a partir do leito catalítico 11.
Dentro do leito catalítico 11, uma pluralidade de trocadores de calor 22 se encontra imersa e sustentada. Os referidos trocadores de calor 22 estão configurados a modo de placa, de formato retangular e em caixa, arranjados preferencialmente em direção radial com os lados compridos 23 paralelos ao eixo A-A do invólucro 2.
Os referidos trocadores de calor 22 podem ser arranjados, de acordo com uma modalidade não limitativa, sobre muitas filas concêntricas com o invólucro 2.
Os referidos trocadores de calor 22 compreendem um conector de entrada 24 e um conector de saída 25 para um fluido de troca de calor em operação, as referidas conexões estando posicionadas sobre lados curtos opostos dos referidos trocadores de calor 22.
De acordo com uma característica da presente invenção e de acordo com uma modalidade preferida, no referido invólucro 2 é definida uma segunda zona de reação 26, circunscrita de forma representativa entre uma línea superior 27 e uma línea inferior 28, para receber um leito catalítico predeterminado 29, destinado a ser atravessado em direção radial pelos gases reactantes e pelos produtos da reação.
Tal segunda zona de reação 26 está em associação e em comunicação por fluido com a primeira zona de reação 8 através da câmara 19 citada, que está circunscrita na base pela linea 27. 0 referido leito catalítico 27 está circunscrito ao longo da direção paralela ao eixo A-A por paredes 30 e 31, externa e interna respectivamente, de uma cesta cilíndrica aneliforme 32, que estão perfuradas de modo a permitirem a passagem radial dos reactantes através do leito catalítico 29. A referida cesta 32 também está fechada na base por uma placa de base aneliforme 34 arranjada na altura da linea 28. Entre a referida cesta 32 e o cartucho 7 existe uma fenda 48 para a distribuição dos reactantes no interior do leito catalítico 29. Tal fenda 48 está em comunicação com o leito catalítico 11 através do coletor 21 e a câmara de captação 19.
Entre a referida cesta 32 e o eixo A-A do invólucro 2 existe uma câmara de captação 35 que capta a mistura produto/reactante proveniente do leito catalítico 29, em comunicação por fluido com a abertura 6 através do conduto de descarga 47.
No leito catalítico 29, uma pluralidade de trocadores de calor 36 está imersa e sustentada. Os referidos trocadores de calor 36 estão configurados a modo de placa, retângulo ou em formato de caixa, com os lados compridos 37 de forma paralela ao eixo A-A do próprio invólucro 2.
Os referidos trocadores de calor 36 podem ser arranjados de acordo a uma modalidade não limitativa, em varias filas concêntricas, de forma coaxial com o referido invólucro 2.
Os referidos trocadores de calor 36 compreendem uma conexão de entrada 38 e uma conexão de saída 39 para um fluido de troca de calor em operação, estando as referidas conexões posicionadas sobre o mesmo lado curto dos referidos trocadores 36.
Os trocadores de calor 36 estão em comunicação por fluido com o conduto central 17 através do conduto de alimentação 41 e um conduto de captação toroidal 42 correspondente.
Os trocadores de calor 36 estão também em comunicação por fluido com os trocadores de calor 22 através dos condutos 43.
Com referencia à aparelhagem citada, um fluxo de reactantes é continuamente alimentado ao reator 1 através da abertura 5.
Um fluido desse tipo é alimentado através do conduto de alimentação 44, um conduto de distribuição aneliforme 45 e conexões 46, para o interior dos referidos trocadores de calor 22, onde troca calor com a primeira 2ona de reação 8.
No interior dos referidos trocadores de calor 22, assim como no interior dos trocadores 36, o fluxo de reactantes tem a função de operar com o fluido de troca de calor.
Na saída dos trocadores de calor 36, o fluxo de reactantes é captado por um conduto de captação toroidal 42 e enviado, através do conduto 41, para dentro do conduto central 17. 0 conduto central 17 carrega o fluxo de reactantes ascendentemente até a câmara 18 a partir da qual flui descendentemente ao longo da fenda 20 e, atravessando a parede 12 da cesta 14, espalha-se radialmente através da primeira zona de reação 8, onde reage parcialmente. A mistura produto/reactante que egressa da zona de reação 9 é captada na fenda 21 e a partir daqui passa para a câmara de captação 19, a partir da qual, através da fenda 48 é distribuída no interior da segunda zona de reação 26.
Na segunda zona de reação 26, os produtos fluem para dentro da câmara de captação 35, a partir da qual são conduzidos para a abertura de saída através do conduto de descarga 47.
Devido à configuração descrita acima, os gases reactantes são distribuídos ao longo das paredes de entrada dos leitos catalíticos, mais curtos que o leito catalítico singelo da técnica anterior, obtendo-se assim uma velocidade de cruzamento maior dos referidos leitos catalíticos 11 e 29 pelos gases reactantes.
Desta forma, atinge-se um controle aperfeiçoado da isotermicidade para incrementar a produtividade de reação do reator, para evitar danos no catalisador e impedir a deterioração das partes internas do reator.
De acordo com uma modalidade vantajosa da presente invenção, é possível a implementação de um arranjo com um número diferente de trocadores de calor em cada leito catalítico, de acordo com a quantidade requerida de calor a ser trocada.
Em outras palavras, de acordo com as figuras 2 e 3, que representam seções do reator e, de acordo com os planos de corte B-B e C-C, respectivamente, é possível incluir um número maior de trocadores 22 dentro do primeiro leito catalítico 11, onde a concentração de reactantes é a maior e a reação ocorre mais rápido, com a consequente necessidade de uma troca de calor maior.
Uma quantidade menor de trocadores 36 por outro lado, é requerida no interior do segundo leito catalítico 29, onde a concentração de reactantes é menor que na situação anterior e a reação ocorre de forma mais lenta, requerendo-se assim uma troca menor de calor.
Desta forma, obtém-se também uma economia na quantidade de trocadores a serem utilizados com o conseqüente retorno econômico.
Para a mesma finalidade é possível variar o comprimento dos leitos catalíticos, de modo a se controlar a velocidade de cruzamento dos mesmos pelos gases reactantes e assim controlar a isotermicidade da reação, veja-se o exemplo da figura 1.
Graças ao reator de acordo com a presente invenção, é possível realizar um método para otimizar reações catalíticas pseudo-isotermicas, que compreende as etapas de alimentar reactantes a uma zona de reação 8 que compreende um leito catalítico 11 e uma pluralidade de trocadores de calor 22, posicionados no referido leito catalítico 11, e as etapas adicionais de captar reactantes e produtos provenientes da zona de reação 8, conduzir os referidos reactantes e produtos para uma segunda zona de reação 26 que compreende um respectivo leito catalítico 29 e uma respectiva pluralidade de trocadores de calor 36 posicionados no referido leito catalítico 29, alimentar os referidos reactantes e produtos para a segunda zona de reação 26 e completar a reação no referido leito catalítico 29. A invenção assim concebida é passível de variações e modificações adicionais, todas cobertas pelo alcance de proteção da presente invenção como definido pelas seguintes reivindicações.
REIVINDICAÇÕE S

Claims (6)

1. Red Ιυι q1 J 1J11 j < .c useudu-j dwi.ei.itij.uo ladial paiu reações catalíticas que compreende um invólucro (2) substancialmente cilíndrico fechado nas extremidades opostas por respectivas placas de base (3,4), uma zona de reação (8) que compreende um respectivo leito catalítico (11) , pretendido para ser radialmente atravessado pelos reactantes, e uma pluralidade de trocadores de calor (22) posicionados no referido leito catalítico respectivo (11), caracterizado pelo fato de que compreende no mínimo uma segunda zona de reação adicional (26) que compreende um respectivo leito catalítico (29), pretendido para ser radialmente atravessado pelos reactantes e produtos, e uma pluralidade de trocadores de calor (36) posicionados no referido leito catalítico (29) da referida segunda zona de reação (26), as referidas primeira e segunda zonas de reação (8, 26) estando em comunicação por fluido entre si, e associados em série.
2. Reator químico, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pluralidade de trocadores de calor (22) de pelo menos uma das referidas zonas de reação (8,26) está em comunicação por fluido com o exterior.
3. Reator químico, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as pluralidades de trocadores de calor (22) de ambas as zonas de reação (8,26) estão em comunicação por fluido entre si.
4. Reator químico, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos um trocador das referidas pluralidades de trocadores de calor (22,36) está configurado a modo de placa, retângulo, ou em formato de caixa.
5. Reator químico, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a referida pluralidade de trocadores (22) está disposta em direção radial, de forma coaxial com relação ao eixo (A-A) do reator.
6. Método para otimizar reações pseudo- isotérmicas de catalisação, que compreende as etapas de alimentar reactantes a uma zona de reação (8) que compreende um leito catalítico (11) e uma pluralidade de trocadores de calor (22) posicionados no referido leito catalítico (11), referido leito catalítico (11) sendo radialmente atravessado pelos reactantes, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente as etapas de captar reactantes e produtos provenientes da zona de reação (8), conduzir os referidos reactantes e produtos para uma segunda zona de reação (26) que compreende um respectivo leito catalítico (29) e uma respectiva pluralidade de trocadores de calor (36) posicionados no referido leito catalítico (29), alimentar os referidos reactantes e produtos para uma segunda zona de reação (26) e completar a reação no referido leito catalítico (29) atravessado radialmente por referidos reactantes e produtos.
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