BRPI0608544A2 - método de operar um reator de lama trifásico, e, reator de lama trifásico - Google Patents

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Andre Peter Steynberg
Berthold Berend Breman
Derk Willem Frederik Brilman
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Sasol Tech Pty Ltd
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Abstract

METODO DE OPERAR UM REATOR DE LAMA TRIFáSICO, E, REATOR DE LAMA TRIFáSICO. Um método de operar um reator de lama trifásico inclui alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso em um corpo de lama se estendendo verticalmente de partículas sólidas suspensas em um líquido de suspensão, o corpo de lama estando contido em uma pluralidade de canais de lama se estendendo verticalmente espaçados horizontalmente dentro de um invólucro de reator comum, os canais de lama sendo definidos entre paredes ou placas de divisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente e cada canal de lama tendo uma altura, largura e profundidade tal que a altura e profundidade sejam muito maiores que a largura. O reagente gasoso é permitido reagir quando passa para cima pelo corpo de lama presente nos canais de lama, por esse meio para formar produto não gasoso e/ou gasoso. Produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagido é permitido desprender do corpo de lama em um espaço superior acima do corpo de lama.

Description

"MÉTODO DE OPERAR UM REATOR DE LAMA TRIFÁSICO, E,REATOR DE LAMA TRIFÁSICO"
Esta invenção relaciona-se a um método de operar um reatorde lama trifásico e a um reator de lama trifásico.
Risco considerável é encontrado quando tecnologia éaumentada de escala de planta piloto para escala de planta comercial a fim decolher os benefícios de economia de escala. Reatores de lama trifásicostipicamente exibem efeitos de macro-mistura dependentes de escala e o riscoacima mencionado é assim aplicável quando reatores de lama trifásicos sãoaumentados. Será assim uma vantagem se um método puder ser achado quepossa reduzir significativamente o risco associado com aumento de reatoresde lama trifásicos. Além disso, projetos de reator nos quais os padrões demistura dentro do reator podem ser modelados ou preditos mais prontamentede experimentação têm o benefício que a extensão de retro-misturanormalmente indesejável pode ser limitada por esse meio permitindopotencialmente assim uma ótima combinação de características de fluxotampão desejáveis (normalmente produtividade boa e boa seletividade) ecaracterísticas bem misturadas (freqüentemente requeridas para distribuiçãode sólidos desejável e perfis de temperatura uniformes).
Uma solução que foi proposta é criar zonas no reator queimitam efetivamente o comportamento de um reator com um diâmetrocaracterístico menor. Desta maneira, o comportamento do reator de grandeescala pode ser predito a alguma extensão, desde que efetivamente consiste nasoma de vários reatores menores de escala de planta efetivamente piloto.
Porém, alguém ainda é largamente dependente de trabalhar dentro dos limitesdos padrões de macro-mistura que são estabelecidos no reator com umdiâmetro característico menor. Seria assim uma vantagem se um métodopuder ser achado que permita a projetistas graus adicionais de liberdade para,pelo menos a alguma extensão, controlar os padrões de mistura que sãoestabelecidos em um reator de lama trifásico.
Reatores de lama trifásicos são usados geralmente para reaçõesaltamente exotérmicas devido às suas excelentes características de remoçãode calor. Porém, com a introdução de catalisadores sempre mais ativos e usomais intensivo de volume de reator, até mesmo a habilidade de remoção decalor de reatores de lama trifásico está sendo testada.
Em vista do que foi dito antes, será assim uma vantagem se ummétodo puder ser achado que reduza significativamente o risco associado comaumento de reatores de lama trifásicos permitindo ao projetista grausadicionais de liberdade para exercer algum controle sobre os padrões demistura no reator, enquanto aumentando simultaneamente a habilidade deremoção de calor do reator.
O requerente está ciente da US 6.375.921 que refere-se a umacoluna de bolha para operações de contra corrente usando bandejasperfuradas.
Esse documento descreve que pode ser possível usar trocadores decalor de placa dentro da coluna de bolha. A US 6.375.921 entretanto, nãoprovê ensinamento relacionado ao problema de escalonamento de reatores delama trifásicos com corpos de lama se estendendo verticalmente contínuos.
O requerente esta também ciente de WO 02/096835. Essedocumento descreve um processo para converter gás de síntese emhidrocarbonetos superiores em um corpo de lama. Misturação de altocisalhamento é usado de modo que o reator em cujo processo é usado, podeser relacionado como um reator de tanque agitado contínuo. WO 02/096835não provê ensinamento relacionado ao problema de escalonamento dereatores de lama trifásicos com corpos de lama se estendendo verticalmentecontínuos de uma maneira em fluxo tampão.
De acordo com um aspecto da invenção, é provido um métodode operar um reator de lama trifásico, o método incluindo:
alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso emum corpo de lama de partículas sólidas suspensas se estendendo verticalmenteem um líquido de suspensão, o corpo de lama estando contido em umapluralidade de canais de lama se estendendo verticalmente espaçadoshorizontalmente dentro de um envoltório de reator comum, os canais de lamasendo definidos entre placas ou paredes de divisor se estendendoverticalmente espaçadas horizontalmente e cada canal de lama tendo umaaltura, largura e profundidade tal que a altura e profundidade sejam muitomaior que a largura;
permitir ao reagente gasoso reagir quando passa para cimapelo corpo de lama presente nos canais de lama, por esse meio para formarproduto não gasoso e/ou gasoso;
permitir a produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagidodesprender do corpo de lama em um espaço superior acima do corpo de lama;
retirar produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagido doespaço superior; e
se necessário, manter o corpo de lama a um nível desejadoretirando lama ou líquido de suspensão, incluindo produto não gasoso sepresente, ou adicionando lama ou líquido de suspensão.
O método pode incluir permitir a lama passar para baixo de umnível alto no corpo de lama para um nível inferior dele, usando uma ou maiszonas de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomers' dentro doenvoltório de reator.
Pelo menos alguns dos canais de lama podem estar emcomunicação de fluxo de lama acima de extremidades superiores dos canaisde lama.
As placas ou paredes de divisor de pelo menos alguns doscanais de lama podem separar ditos canais de lama de espaços de fluxo demeio de transferência de calor adjacentes. O método pode incluir passar ummeio de transferência de calor pelos espaços de fluxo de meio de transferênciade calor para trocar calor em relação indireta com o corpo de lama presentenos canais de lama.
Superfícies de transferência de calor do reator, tais comoaquelas das placas ou paredes de divisor, podem opcionalmente ser formadasou texturizadas para aumentar sua área de superfície de transferência de calorou melhorar coeficientes de transferência de calor comparados àqueles deparedes de divisor lisas ou placas. A formação ou texturização pode incluir,entre outros métodos conhecidos a pessoas qualificadas na arte, o uso deparedes ou placas onduladas, nervuradas ou aletadas.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, é providoum método de operar um reator de lama trifásico, o método incluindo:
alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso emum corpo de lama se estendendo verticalmente de partículas sólidas suspensasem um líquido de suspensão, o corpo de lama estando contido em umapluralidade de canais de lama se estendendo verticalmente espaçadoshorizontalmente dentro de um envoltório de reator comum, pelo menos algunsdos canais de lama estando em comunicação de fluxo de lama acima deextremidades superiores abertas dos canais de lama e pelo menos alguns doscanais de lama sendo definidos por paredes separando os canais de lama deum espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calor;
permitir ao reagente gasoso reagir quando passa para cimapelo corpo de lama presente nos canais de lama, por esse meio para formarum produto não gasoso e/ou gasoso;
passar um meio de transferência de calor pelo espaço ouespaços de fluxo de meio de transferência de calor para trocar calor emrelação indireta com o corpo de lama presente nos canais de lama;
permitir a lama passar para baixo de um nível alto no corpo delama para um nível inferior dele, usando uma ou mais zonas de tubodescendente 'downcomer' ou 'downcomers' dentro do envoltório de reator;permitir a produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagidodesprender do corpo de lama em um espaço superior acima do corpo de lama;
retirar produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagido doespaço superior;
se necessário, manter o corpo de lama a um nível desejadoretirando lama ou líquido de suspensão, incluindo produto não gasoso sepresente, ou adicionando lama ou líquido de suspensão.
Os canais de lama são preferivelmente isolados um do outroentre suas extremidades superiores abertas e extremidades inferiores abertas, eestão preferivelmente separados um do outro por espaços de fluxo de meio detransferência de calor. Em outras palavras, o método preferivelmente incluiprevenir comunicação de fluxo de lama a todas as elevações entre asextremidades superiores abertas e extremidades inferiores dos canais de lama,de forma que os canais de lama sejam discretos, definindo câmaras de reaçãocompletamente individualizadas.
Os canais de lama usados no método de acordo com o segundoaspecto da invenção podem ser definidos por tubos se estendendoverticalmente entre chapas de tubo, com o espaço de fluxo de meio detransferência de calor sendo definido entre as chapas de tubo e cercando ostubos. Os tubos tipicamente têm diâmetros de pelo menos cerca de 10 cm.
Ao invés, os canais de lama podem ser definidos por paredesou placas de divisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente,com espaços de fluxo de meio de transferência de calor também sendodefinidos entre paredes ou placas de divisor se estendendo verticalmenteespaçadas horizontalmente, pelo menos alguns dos canais de lama sendoseparados de espaços de fluxo de meio de transferência de calor adjacentespor paredes ou placas de divisor comuns ou compartilhadas.
As paredes ou placas de divisor podem ser paralelas entre si,definindo canais de lama e espaços de fluxo de meio de transferência de calorcom uma altura, largura e profundidade tal que a altura e profundidade sejamtipicamente muito maiores que a largura. Em outras palavras, cada parede dedivisor tem uma altura e uma profundidade que são significativas, umaespessura relativamente pequena e é espaçada relativamente perto de umaparede de divisor adjacente, por esse meio definindo canais ou espaços emforma de paralelepípedo se estendendo verticalmente com uma dimensãomuito menor que as outras duas dimensões.
Superfícies de transferência de calor do reator, tais comoaquelas das placas ou paredes de divisor ou tubos, podem opcionalmente serformadas ou texturizadas para aumentar sua área de superfície detransferência de calor ou melhorar coeficientes de transferência de calorcomparados àqueles de paredes de divisor lisas ou tubos cilíndricos lisos. Aformação ou texturização pode incluir, entre outros métodos conhecidos apessoas qualificadas na arte, o uso de paredes, placas ou tubos ondulados,nervurados ou aletados.
Quando os canais de lama são definidos por paredes dedivisor, lama e meio de transferência de calor podem estar presentes emcanais de lama e espaços de fluxo de meio de transferência de calor que sãoarranjados alternadamente. Cada canal de lama pode assim ser flanqueadopor, ou intercalado entre, dois espaços de fluxo de meio de transferência decalor, exceto possivelmente para canais de lama radialmente exteriores.
O fluxo descendente de lama nas zonas de tubo descendente'downcomer' ou 'downcomers' pode ser suficientemente alto que não hajasubstancialmente nenhum fluxo descendente de lama nos canais de lama.
Enquanto é acreditado que o método pode, pelo menos emprincípio, ter aplicação mais ampla, é idealizado que as partículas sólidasnormalmente serão partículas de catalisador para catalisar a reação doreagente gasoso ou reagentes gasosos em um produto líquido e/ou um produtogasoso. O líquido de suspensão normalmente será, mas não necessariamentesempre, produto líquido, com fase líquida ou lama assim sendo retirada docorpo de lama para manter o corpo de lama a um nível desejado.
Além disso, enquanto também é acreditado que, em princípio,o método pode ter aplicação mais ampla, é idealizado que terá aplicaçãoparticular em síntese de hidrocarbonetos onde os reagentes gasosos sãocapazes de reagir cataliticamente e exotermicamente no corpo de lama paraformar produto de hidrocarboneto líquido e, opcionalmente, produto dehidrocarboneto gasoso.
Em particular, a reação ou síntese de hidrocarbonetospode ser a síntese de Fischer-Tropsch, com os reagentes gasosos estando naforma de um fluxo de gás de síntese incluindo principalmente monóxido decarbono e hidrogênio, e com ambos os produtos de hidrocarboneto líquido egasoso sendo produzidos e o meio de transferência de calor sendo um meio deesfriamento, por exemplo água de alimentação de caldeira.
Para síntese de hidrocarbonetos, os canais de lama tipicamenteterão uma altura de pelo menos 0,5 m, preferivelmente pelo menos 1 m, maispreferivelmente pelo menos 2 m, mas pode ser até mesmo 4 m ou mais alto.
Os canais de lama tipicamente terão uma largura de pelo menos 2 cm,preferivelmente pelo menos 3,8 cm, mais preferivelmente pelo menos 5 cm. Alargura dos canais de lama tipicamente não excederá 50 cm, maispreferivelmente a largura não excederá 25 cm, mais preferivelmente a larguranão excederá 15 cm. Os canais de lama tipicamente terão uma profundidadena gama de aproximadamente 0,2 m a 1 m. O envoltório de reator tipicamenteterá um diâmetro de pelo menos 1 m, preferivelmente pelo menos 2,5 m, maispreferivelmente pelo menos 5 m, mas alguém deveria notar que um objetivoda invenção é neutralizar o efeito de diâmetro de reator sobre ocomportamento de reator.
Como será apreciado, cada canal de lama, se definido entreparedes de divisor ou definido por um tubo, funciona independentemente doenvoltório de reator e pode ser configurado para funcionar a uma extensãogrande independentemente de outros canais de lama. Projeto e teste de umúnico canal de lama ou um subgrupo pequeno de canais de lama em umaescala piloto é possível, com aumento para um reator de escala comercialincluindo uma pluralidade dos canais de lama então se tornando bastante fácile sendo menos arriscado, contanto que efeitos de macro-mistura dependentesde escala sejam administrados corretamente.
Além disso, quando zonas de tubo descendente 'downcomers'ou 'downcomer' são empregadas com um fluxos de lama descendentesuficiente tal que não haja substancialmente nenhum fluxo descendente delama nos canais de lama, o estabelecimento de um padrão de macro-mistura,diferente daquele ditado pelo fluxo abaixo definido e zonas de fluxo acima,através do reator é praticamente impossível.
O método pode incluir esfriar o gás do espaço superior paracondensar produto líquido, por exemplo hidrocarbonetos líquidos e água dereação, separar o produto líquido dos gases para prover um gás de arraste, ereciclar pelo menos algum do gás de arraste ao corpo de lama como um fluxode gás de reciclo.
Zonas de reator se estendendo verticalmente, dispostashorizontalmente podem ser definidas dentro do envoltório de reator, ondecada zona de reator disposta horizontalmente inclui uma pluralidade de canaisde lama e opcionalmente um ou mais espaços de fluxo de meio detransferência de calor. O método pode incluir prevenir comunicação de fluxode lama entre zonas de reator se estendendo verticalmente, dispostashorizontalmente adjacentes, e a todas as elevações entre extremidades abertassuperiores e inferiores dos canais de lama em uma zona de reator dispostahorizontalmente. Isto pode ser alcançado, por exemplo, provendo as zonas dereator dispostas horizontalmente com paredes laterais se estendendoverticalmente, ou arranjando as paredes de divisor em zonas de reatordispostas horizontalmente adjacentes a ângulos perpendiculares de forma queuma parede de divisor de extremidade em uma das zonas de reator dispostashorizontalmente forme em efeito uma parede lateral para a zona de reatordisposta horizontalmente adjacente.
O método pode incluir conter o corpo de lama em zonas dereator espaçadas verticalmente, cada uma incluindo uma pluralidade de canaisde lama e opcionalmente um ou mais espaços de fluxo de meio detransferência de calor. Uma zona de lama intermediária pode ser definidaentre zonas de reator espaçadas verticalmente.
O método pode incluir alimentar pelo menos um fluxo gasosoem uma zona intermediária entre duas zonas de reator espaçadasverticalmente. O fluxo gasoso pode ser um fluxo de gás de reciclo. Sedesejado, o fluxo gasoso pode ser alimentado tal que uma porção da área deseção transversal do reator não seja gasificada com o fluxo gasoso.
Uma ou mais das zonas de tubo descendente 'downcomer' ou'downcomers' podem se estender da ou acima das extremidades superioresabertas dos canais de lama, ou canais de lama em uma zona de reatorespaçada verticalmente superior, para a ou abaixo de extremidades inferioresabertas dos canais de lama, ou canais de lama em uma zona de reatorespaçada verticalmente de fundo.
Ao invés, uma ou mais das zonas de tubo descendente'downcomer' ou 'downcomers' podem se estender da ou acima dasextremidades superiores abertas dos canais de lama de uma zona de reatorespaçada verticalmente, para ou abaixo de extremidades inferiores abertas doscanais de lama de dita zona de reator espaçada verticalmente, freqüentementeem uma zona intermediária abaixo de dita zona de reator espaçadaverticalmente. Uma zona de reator espaçada verticalmente inferior ou superiorpode incluir uma zona de tubo descendente 'downcomer' semelhante ou'downcomer', que pode ser alternada em vista de cima da zona de tubodescendente 'downcomer' ou 'downcomer' na zona de reator espaçadaverticalmente acima ou abaixo, ou que pode estar em registro com a zona detubo descendente 'downcomer' ou 'downcomer' na zona de reator espaçadaverticalmente acima ou abaixo.
Se desejado, uma zona de tubo descendente 'downcomer' podeincluir um espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calor, e/ouum filtro para separar partículas sólidas do líquido de suspensão.
Permitir a lama passar para baixo em uma zona de tubodescendente 'downcomer' ou 'downcomer' pode incluir prevenir ou inibirreagente gasoso ou reagentes de entrarem na zona de tubo descendente'downcomer', por exemplo provendo um defletor, e/ou pode incluirdesgasificar a lama na zona de tubo descendente 'downcomer' ou'downcomer', por exemplo, provendo um desgasificador a uma extremidadesuperior da zona de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomer'.
O método pode incluir permitir comunicação de fluxo de lamaentre zonas de reator dispostas horizontalmente em uma ou mais das zonasintermediárias, e/ou no fundo do reator abaixo das extremidades inferioresabertas de canais de lama.
O método pode incluir limitar a mistura axial das partículassólidas através do comprimento de reator inteiro. Isto pode ser alcançado pelaseleção de zonas de reação espaçadas verticalmente e 'downcomers'abrangendo o comprimento de uma única zona de reação.
De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é provido umreator de lama trifásico, o reator incluindo:
um envoltório de reator contendo uma pluralidade de canais delama se estendendo verticalmente espaçados horizontalmente que, em uso,conterão uma lama de partículas sólidas suspensas em um líquido desuspensão, os canais de lama sendo definidos entre paredes ou placas dedivisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente, e cada canalde lama tendo uma altura, largura e profundidade tal que a altura eprofundidade sejam muito maiores que a largura;
uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator; e
uma saída de gás no envoltório para retirar gás de um espaçosuperior no envoltório acima dos canais de lama.
Pelo menos algumas das paredes ou placas de divisor podemdefinir espaços ou canais de fluxo de meio de transferência de calor. Oscanais de fluxo de meio de transferência de calor também podem ter umaaltura, profundidade e largura tal que a altura e profundidade sejam muitomaiores que a largura.
Superfícies de transferência de calor do reator, tais comoaquelas das paredes ou placas de divisor, podem opcionalmente ser formadasou texturizadas para aumentar sua área de superfície de transferência de calorou melhorar coeficientes de transferência de calor. A formação outexturização pode incluir, entre outros métodos conhecidos a pessoasqualificadas na arte, o uso de paredes ou placas onduladas, nervuradas oualetadas.
Os canais podem ser como descrito aqui antes.
Os canais de lama estão assim localizados em uma zona delama dentro do envoltório de reator. A zona de lama pode ter um nível delama normal acima de extremidades superiores abertas dos canais de lama deforma que pelo menos alguns dos canais de lama possam estar emcomunicação de fluxo de lama acima de suas extremidades superiores abertas.
O reator pode incluir uma ou mais zonas de tubo descendente'downcomer' ou 'downcomers', em uso por quais a lama pode passar de umnível alto na zona de lama para um nível inferior disso.
De acordo com um quarto aspecto da invenção, é provido umreator de lama trifásico, o reator incluindo:um envoltório de reator contendo uma pluralidade de canais delama se estendendo verticalmente espaçados horizontalmente que, em uso,conterão uma lama de partículas sólidas suspensas em um líquido desuspensão, os canais de lama estando localizados em uma zona de lamadentro do envoltório de reator que tem um nível de lama normal acima deextremidades superiores abertas dos canais de lama de forma que pelo menosalguns dos canais de lama estejam em comunicação de fluxo de lama acimade suas extremidades abertas;
um espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência decalor definidos por paredes dos canais de lama separando os canais de lamado espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calor de forma queem uso, transferência de calor em relação de transferência de calor indiretapossa acontecer entre lama nos canais de lama e um meio de transferência decalor no espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calor;
uma ou mais zonas de tubo descendente 'downcomer' ou'downcomers' pelas quais lama pode passar de um nível alto na zona de lamapara um nível inferior disso;
uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator;
uma saída de gás no envoltório para retirar gás de um espaçosuperior no envoltório acima dos canais de lama; e
se necessário, uma entrada de líquido para adicionar ou retirarlama ou líquido de suspensão para ou do reator.
Pelo menos alguns dos canais de lama podem estar emcomunicação de fluxo de lama abaixo de extremidades inferiores abertas doscanais de lama. Os canais de lama podem ter paredes configuradas paraprevenir fluxo de lama de ou nos canais de lama diferente de porextremidades superiores e inferiores abertas dos canais de lama. Em outraspalavras, as paredes tipicamente previnem fluxo de lama radial ou transversalentre canais de lama, de forma que os canais de lama sejam câmaras de reaçãocompletamente individualizadas.
Os canais de lama no reator de acordo com o quarto aspecto dainvenção podem ser definidos por tubos se estendendo verticalmente entrechapas de tubo, com o espaço de fluxo de meio de transferência de calorsendo definido entre as chapas de tubos e cercando os tubos. Os tubostipicamente têm diâmetros de pelo menos cerca de 10 cm.
Ao invés, os canais de lama podem ser definidos por paredesou placas de divisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente,com os espaços de fluxo de meio de transferência de calor também sendodefinidos entre paredes ou placas de divisor se estendendo verticalmenteespaçadas horizontalmente, pelo menos alguns canais de lama sendoseparados de espaços de fluxo de meio de transferência de calor adjacentespor paredes ou placas de divisor comuns ou compartilhadas.
As paredes ou placas de divisor podem ser paralelas entre si,definindo canais de lama e espaços de fluxo de meio de transferência de calorcomo descrito aqui antes. Tipicamente, as paredes ou placas de divisorcorrespondem com cordas do envoltório de reator cilíndrico circular, quandovisto em vista de cima.
Quando os canais de lama são definidos por paredes dedivisor, os canais de lama e espaços de fluxo de meio de transferência decalor podem ser arranjados alternadamente. Cada canal de lama assim podeser flanqueado por, ou intercalado entre, dois espaços de fluxo de meio detransferência de calor, exceto possivelmente para canais de lama radialmenteexteriores.
Superfícies de transferência de calor do reator, tais comoaquelas das placas ou paredes de divisor ou tubos, podem opcionalmente serformadas ou texturizadas para aumentar sua área de superfície detransferência de calor ou melhorar coeficientes de transferência de calorcomparados àqueles de paredes de divisor lisas ou tubos cilíndricos lisos. Aformação ou texturização pode incluir, entre outros métodos conhecidos apessoas qualificadas na arte, o uso de paredes, placas ou tubos ondulados,nervurados ou aletados.
O canais de lama, opcionalmente juntos com um ou maisespaços de fluxo de meio de transferência de calor, podem ser agrupadosjuntos em módulos de reator ou sub-reatores. Sub-reatores podem serdispostos horizontalmente pela área de seção transversal do envoltório dereator. Um sub-reator pode ter paredes laterais se estendendo verticalmenteseparando-as de um sub-reator espaçado horizontalmente adjacente. A paredelateral se estendendo verticalmente pode ser configurada para prevenircomunicação de fluxo de lama entre sub-reatores dispostos horizontalmenteadjacentes a todas as elevações entre extremidades abertas superiores einferiores dos canais de lama dos sub-reatores dispostos horizontalmenteadjacente.
Os canais de lama de sub-reatores adjacentes dispostoshorizontalmente ou espaçados horizontalmente, pode cada um ter um eixo deprofundidade, quando os canais de lama são definidos por paredes ou placasde divisor, com os eixos de profundidade dos canais de lama de sub-reatoresdispostos horizontalmente adjacentes sendo paralelos. Ao invés, os eixos deprofundidade de sub-reatores dispostos horizontalmente adjacentes podem serperpendiculares. Em uma tal concretização, uma parede de divisor deextremidade de um sub-reator assim pode formar uma parede lateralseparando o sub-reator de um sub-reator adjacente disposto horizontalmente.
O reator pode incluir módulos de reator ou sub-reatores quesão espaçados verticalmente, com as extremidades superiores abertas doscanais de lama de um sub-reator inferior ou sub-reatores estando abaixo dasextremidades inferiores abertas dos canais de lama de um sub-reator superiorou sub-reatores.O reator pode incluir uma zona intermediária entre sub-reatores superiores e sub-reatores inferiores. A zona intermediária pode estarem comunicação de fluxo com canais de lama de um sub-reator superior ousub-reatores e com canais de lama de um sub-reator inferior ou sub-reatores.
Em outras palavras, fluxo transversal ou horizontal ou mistura de lama nazona intermediária pode ser permitido tendo a zona intermediária livre debarreiras que impediriam fluxo transversal entre extremidades abertas decanais de lama se brindo na zona intermediária.
O reator pode incluir uma entrada de gás em uma zonaintermediária entre sub-reatores superiores e inferiores. A entrada de gás podeser uma entrada de gás de reciclo. A entrada de gás pode ser configurada paraintroduzir gás só em uma porção da área de seção transversal do envoltório dereator. Em outras palavras, a entrada de gás pode ser arranjada em uso paraprover gás só a uma região de seção transversal selecionada do reator, porexemplo só certos sub-reatores ou certos canais de lama.
Uma ou mais zonas de tubo descendente 'downcomer' ou'downcomers' podem se estender da ou acima das extremidades superioresabertas dos canais de lama, ou os canais de lama de um sub-reator superior,para ou abaixo de extremidades inferiores abertas dos canais de lama, oucanais de lama de um sub-reator inferior.
Ao invés, uma ou mais das zonas de tubo descendente'downcomer' ou 'downcomers' podem se estender da ou acima dasextremidades superiores abertas dos canais de lama em um sub-reator, para ouabaixo de extremidades inferiores abertas dos canais de lama de dito sub-reator, freqüentemente em uma zona intermediária abaixo de dito sub-reator.Zonas de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomers' de sub-reatoresespaçados verticalmente podem ser alternadas em vista de cima, ou podemestar em registro.
Uma zona de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomer'pode ser definida por canais de lama adaptados para funcionar como umazona de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomer'. Tal canal de lamaadaptado pode ter ou pode estar associado com um dispositivo de prevençãode gasificação, por exemplo um defletor, ou pode ter ou pode estar associadocom um desgasificador a uma extremidade superior disso.
Uma zona de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomer'pode incluir um espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calore/ou pode incluir um filtro para separar partículas sólidas de líquido desuspensão.
Os espaços de fluxo de meio de transferência de calor, quandona forma de canais, são terminados fechados, e são providos com arranjos deentrada e saída de meio de transferência de calor. Os arranjos de entrada esaída de meio de transferência de calor podem se abrir nos canais por suasextremidades fechadas, isto é, axialmente ou verticalmente, ou os canais ouespaços de fluxo de meio de transferência de calor podem estar emcomunicação de fluxo transversalmente ou horizontalmente, lembrando umtrocador de calor de placa no qual todo segundo espaço de fluxo está emcomunicação de fluxo, enquanto sendo selado de espaços de fluxointervenientes.
A invenção será descrita agora, por meio de exemplo, comreferência aos desenhos diagramáticos acompanhantes, em que:
Figura 1 mostra uma vista de elevação secional esquemática deuma concretização de um reator de lama trifásico de acordo com a invenção;
Figura 2 mostra uma vista de elevação secional esquemática deoutra concretização de um reator de lama trifásico de acordo com a invenção;
Figura 3 mostra que uma vista tridimensional esquemática dealguns módulos de reator ou sub-reatores e 'downcomers' ou zonas de tubodescendente 'downcomer' de um reator de lama trifásico de acordo com ainvenção;Figura 4 mostra uma vista de cima esquemática dos módulosde reator e tubo descendente 'downcomers' da Figura 3;
Figura 5 mostra uma vista tridimensional esquemática dealguns módulos de reator ou sub-reatores superiores e inferiores e tubodescendente 'downcomers' de um reator de lama trifásico de acordo com ainvenção;
Figuras 6 a 9 mostram uma vista de elevação secionaisesquemáticas de várias concretizações de reatores de lama trifásicos de acordocom a invenção, com ou sem tubo descendente 'downcomers';
Figuras 10 a 12 mostram vistas de elevação secionaisesquemáticas de várias concretizações de reatores de lama trifásicos de acordocom a invenção, com introdução de estágio de gás e vários arranjos de'downcomer';
Figuras 13 a 16 mostram vistas de cima esquemáticas devários arranjos de paredes de divisor de reatores de lama trifásicos de acordocom a invenção;
Figuras 17 a 20 mostram vistas de cima secionaisesquemáticas de vários reatores de lama trifásico de acordo com a invenção,ilustrando vários arranjos de 'downcomer'; e
Figuras 21 a 28 mostram vistas de cima secionaisesquemáticas de vários reatores de lama trifásico de acordo com a invenção,ilustrando vários arranjos de módulos de reator dispostos horizontalmente ousub-reatores e zonas de 'downcomer'.
Se referindo à Figura 1 dos desenhos, numerai de referência 10indica geralmente uma concretização de um reator de lama trifásico de acordocom a invenção. O reator 10 inclui um envoltório de reator 12 que aloja umapluralidade de paredes ou placas de divisor paralelas se estendendoverticalmente, espaçadas horizontalmente 14. As placas 14 definem umapluralidade de canais de lama 16.O envoltório 12 é circular cilíndrico e as placas 14correspondem com ou caem em cordas do envoltório 12, quando vistas emplano. Cada canal de lama 16 tem uma largura relativamente pequena, isto é,o espaçamento entre as placas 14, comparado a sua altura e sua profundidade,onde sua profundidade é tomada ao longo de um eixo perpendicular à páginana qual o desenho é mostrado.
Embora não mostrado nos desenhos, pelo menos algumas dasplacas ou paredes de divisor 14 podem ser formadas ou texturizadas paraaumentar sua área de superfície de transferência de calor ou melhorarcoeficientes de transferência de calor. A formação ou texturização podeincluir, entre outros métodos conhecidos a pessoas qualificadas na arte, o usode paredes ou placas onduladas, nervuradas ou aletadas.
O reator 10 também inclui uma entrada de gás 18 conduzindoem um arranjo de borrifador 20 abaixo dos canais de lama 16. Uma saída degás 22 é provida que está em comunicação de fluxo com um espaço superior24 acima dos canais de lama 16. Uma saída de líquido 26 conduz de um fundodo reator 10, abaixo dos canais de lama 16, mas pode estar a qualquer nívelconveniente.
O reator 10 tem uma zona de lama se estendendo do fundo doreator IOa um nível de lama normal indicado por numerais de referência 28 e30. Como pode ser visto na Figura 1, o nível de lama normal 28 pode assimestar tanto abaixo das extremidades superiores abertas do canais de lama 16,ou o nível de lama normal 30 pode estar acima das extremidades superioresabertas do canais de lama 16, por esse meio em uso submergindocompletamente das placas 14.
Em um reator de lama como o reator 10, haveria interaçãolimitada ou substancialmente nenhuma entre o canais de lama 16 onde eles seabrem no fundo do reator 10. Espaços de reação, definidos pelo canais delama 16, são essencialmente bidimensionais e se os canais de lama foremoperados essencialmente independentes um do outro, a dependência dodiâmetro do envoltório de reator 12 desaparece grandemente oucompletamente. Isto facilita aumento, como uma unidade representativa,consistindo em um ou alguns canais de lama, pode ser estudadoseparadamente e independentemente de dimensões de reator de escalacomercial.
Quando as placas 14 não são submersas completamente nocorpo de lama, isto é, quando o nível de lama normal é o nível 28, o reator 10se comporta essencialmente como uma pilha de colunas de lama paralelas,trifásicas bidimensionais se estendendo verticalmente. Diferenças entre estascolunas bidimensionais e colunas tridimensionais convencionais, relativas àmistura, interrupção de gás e transferência de calor e massa, podem ser usadasvantajosamente.
Para submergir completamente as placas 14, quando o nível delama normal é indicado pelo nível 30, até mesmo mais oportunidades seapresentam. Um padrão de fluxo de circulação de lama através dos canais delama 16 pode ser estabelecido, permitindo melhores características de fluxotampão para as fases nos canais de lama 16, uma distribuição de sólidos maisuniforme ao longo da lama e coeficientes de transferência de calor mais altos(reatores com arranjos de transferência de calor serão discutidos em maisdetalhe mais tarde).
Se referindo à Figura 2 dos desenhos, numerai de referência100 indica geralmente outra concretização de um reator de lama trifásico deacordo com a invenção. O reator 100 é semelhante ao reator 10 em muitosaspectos e os mesmos numerais de referência são assim usados para indicar asmesmas ou partes semelhantes ou características, a menos que caso contrárioindicado. No reator 100, canais de meio de transferência de calor 32 tambémestão definidos entre algumas das placas 14. Os canais de meio detransferência de calor 32 têm extremidades inferiores e extremidadessuperiores fechadas, mas está em comunicação de fluxo entre si em suasextremidades e com arranjos de entrada e saída de meio de transferência decalor (não mostrado). Em uso, meio de transferência de calor pode serpassado assim pelos canais de meio de transferência de calor 32, tanto paracima ou para baixo.
O canais de lama 16 e os canais de meio de transferência decalor 32 são arranjados alternadamente, de forma que cada canal de lama 16seja flanqueado por ou intercalado entre dois canais de meio de transferênciade calor 32, exceto possivelmente para canais de lama radialmente exteriores16, dependendo da construção particular do reator 100.
No reator 100, os canais o lama 16 e os canais de meio detransferência de calor 32 são agrupados em um grupo superior, definindo umbanco de placas superiores ou sub-reator 34 e um grupo inferior definindo umbanco de placas inferiores ou sub-reator 36. O sub-reator superior 34 éespaçado verticalmente do sub-reator inferior 36 de forma que asextremidades abertas inferiores do canais de lama 16 do sub-reator 34superior estejam acima das extremidades superiores abertas dos canais delama 16 do sub-reator inferior 36. Entre o sub-reator superior 34 e o sub-reator inferior 36, uma zona intermediária 38 é definida. Uma entrada de gás,que é uma entrada de gás de reciclo e que é indicada por numerai dereferência 40 entra na zona intermediária 38 de dois lados diagonalmenteopostos do reator 100. Cada entrada de gás de reciclo 40 é associada com umarranjo de borrifador 42.
Um tubo descendente 'downcomer' 44 com um desgasificador46 é provido centralmente no envoltório de reator 12 e se estende de acimadas extremidades superiores abertas do canal de lama 16 do sub-reatorsuperior 34 para abaixo das extremidades inferiores abertas dos canais delama 16 do sub-reator superior 34, isto é, na zona intermediária 38. Entre oenvoltório de reator 12 e as placas 14 do sub-reator inferior 36, uma zona detubo descendente 'downcomer' anular 48 é definida. Como será notado, osarranjos de borrifador 42 são configurados para não prover gás ao tubodescendente 'downcomer' 44 e o arranjo de borrifador 18 é configurado paranão prover gás à zona de tubo descendente 'downcomer' 48. Como seráapreciado, o 'downcomer' 44 é em efeito alternado relativo à zona de tubodescendente 'downcomer' 48, assegurando um reciclo de lama ou fluxo deredistribuição como indicado pelas setas 50.
O reator 100 em princípio é adequado para muitos processosrequerendo um reator de lama trifásico e requerendo transferência de calorpara ou da lama. Porém, só um uso, isto é síntese de hidrocarbonetos, serádescrito agora.
Em uso, gás de síntese fresco incluindo principalmentemonóxido de carbono e hidrogênio como reagentes gasosos, é alimentado nofundo do reator 100 pela entrada de gás 18 e pelo arranjo de borrifador 20.Por meio do arranjo de borrifador 20, o gás de síntese é distribuídouniformemente ao longo da lama presente no fundo do reator 100.
Simultaneamente, um fluxo de gás de reciclo (tipicamente esfriado) incluindotipicamente hidrogênio, monóxido de carbono, metano e dióxido de carbono,é retornado ao reator 100 pelas entradas de gás de reciclo 40 e pelos arranjosde borrifador 42. Todo o fluxo de gás de reciclo pode ser alimentado na zonaintermediária 38 por meio das entradas de gás de reciclo 40 ou, se desejado,uma porção do fluxo de gás de reciclo pode ser retornada ao fundo do reator100, por meio da entrada de gás 18.
Por meio dos arranjos de borrifador 42, os canais de lama 16do sub-reator superior 34 são mirados especificamente com gás de reciclo, e otubo descendente 'downcomer' 44 é evitado. Usando as entradas de gás dereciclo 40, é assim possível permitir a uma porção do gás de reciclo desviar alama localizada na porção do reator 100 abaixo dos arranjos de borrifador 42.
Deste modo, a interrupção de gás global no reator 100 pode ser reduzida, poresse meio aumentando surpreendentemente a capacidade de reator.
Os reagentes gasosos, incluindo o gás de síntese fresco equalquer gás de reciclo, passam para cima por um corpo de lama 52, queocupa os canais de lama 16 dos sub-reatores superior 34 e inferior 36 e que seestende do fundo do reator 100 ao nível 30. O corpo de lama 52 incluipartículas de catalisador de Fischer-Tropsch, tipicamente um catalisadorbaseado em ferro ou cobalto, suspensas em produto líquido (principalmentecera). O corpo de lama 52 é controlado para ter o nível de lama 30 acima dasextremidades superiores abertas dos canais de lama 16 do sub-reator superior34 e acima do desgasificador 46.
Quando o gás de síntese borbulha pelo corpo de lama 52, osreagentes gasosos nele reagem cataliticamente e exotermicamente para formarum produto líquido, que assim faz parte do corpo de lama 52. De vez emquando, ou continuamente, lama ou fase líquida incluindo produto líquido éretirada pela saída de líquido 26, com o nível de lama 30 por esse meio sendocontrolado. As partículas de catalisador são separadas do produto líquido emum sistema de separação interno ou externo adequado, por exemplo usandofiltros (não mostrados). Se o sistema de separação estiver localizadoexternamente ao reator 100, um sistema adicional (não mostrado) pararetornar as partículas de catalisador separadas ao reator 100 é então provido.
O gás de alimentação de síntese fresco e o gás de reciclo sãointroduzidos no reator 100 a uma taxa suficiente para agitar e suspender todasas partículas de catalisador dentro do reator 100 sem sedimentação. A taxa defluxo de gás será selecionada dependendo da concentração de lama, densidadede catalisador, densidade e viscosidade de meio de suspensão, e tamanho departícula particular usado. Taxas de fluxo de gás adequadas incluem, porexemplo, de cerca de 5 cm/s a cerca de 50 cm/s. Porém, velocidades de gásaté cerca de 85 cm/s foram testadas em colunas de bolhas. O uso develocidades mais altas tem a desvantagem que é acompanhado por umainterrupção de gás mais alta no reator deixando espaço relativamente poucopara acomodar a lama contendo catalisador. Qualquer que seja a taxa de fluxode gás selecionada porém, deveria ser suficiente para evitar sedimentação eaglomeração de partículas no reator 100.
Alguma lama passa continuamente para baixo pelo tubodescendente 'downcomer' 44 e pela zona de tubo descendente 'downcomer' 48como indicado pelas setas 50, por esse meio para alcançar redistribuição departículas de catalisador dentro do corpo de lama 52 e promoverredistribuição de calor uniforme ao longo do corpo de lama 52. Como seráapreciado, dependendo do arranjo dos 'downcomers' ou zonas de tubodescendente 'downcomer', redistribuição de lama através de regiõesselecionadas se estendendo verticalmente do reator 100 é possível.
O reator 100 é operado tal que o corpo de lama 52 nos canaisde lama 16 esteja em um regime de fluxo heterogêneo ou turbulento agitado einclui uma fase diluída consistindo em bolhas maiores ascendentes rápidas dereagentes gasosos e produto gasoso que atravessam o corpo de lama 52virtualmente de modo de fluxo tampão e uma fase densa que inclui produtolíquido, partículas de catalisador sólidas e bolhas menores arrastadas dereagentes gasosos e produto gasoso. Por meio do uso dos canais de lama 16, ocomportamento de fluxo tampão do reator 100 inteiro é promovido, desde quecada canal de lama 16 tem uma relação de aspecto alta quando altura e largurasão consideradas, que é bem mais da relação de aspecto do envoltório dereator 12.
Preferivelmente, a taxa de fluxo abaixo de lama em zonas detubo descendente 'downcomer' 44 e 48 é suficientemente alta, tal que não hajasubstancialmente nenhum fluxo descendente de lama nos canais de lama 16.
Desta maneira, o estabelecimento de um padrão de macro-mistura diferentede descendente nas zonas de tubo descendente 'downcomer' 44 e 48 e paracima no canais de lama 16 é impedido grandemente.O corpo de lama 52 está presente em canais de lama 16,alternados terminados abertos, no sub-reator superior 34 e no sub-reatorinferior 36. Água de alimentação de caldeira como meio de esfriamento écirculada pelos canais de meio de transferência de calor terminados fechados32 para remover o calor das reações exotérmicas. Como será apreciado, asplacas 14 provêem grandes áreas de superfície de transferência de calor pararemover calor do corpo de lama 52 por meio de transferência de calor indiretaà água de alimentação de caldeira.
Produtos de hidrocarbonetos leves, tal como um C20 e fraçãoabaixo são retirados do reator 100 pela saída de gás 22 e passados a umaunidade de separação (não mostrada). Tipicamente, a unidade de separaçãoinclui uma série de resfriadores e um separador de vapor-líquido e podeopcionalmente incluir resfriadores e separadores adicionais e possivelmentetambém uma unidade criogênica para remoção de hidrogênio, monóxido decarbono, metano e dióxido de carbono do C20 e abaixo de fração dehidrocarboneto. Outras tecnologias de separação tais como unidades demembrana, unidades de adsorção de troca de pressão e/ou unidades para aremoção seletiva de dióxido de carbono, podem ser empregadas. Os gasesseparados incluindo nitrogênio, monóxido de carbono e outros gases sãocomprimidos e reciclados por meio de um compressor (não mostrado) paraprover o fluxo de gás de reciclo. Hidrocarbonetos líquidos condensados eágua de reação são retirados da unidade de separação para processamentoadicional.
É para ser apreciado que, embora o reator 100, como ilustrado,permita o reciclo de gás ao reator 100, não é necessariamente de forma queum fluxo de gás de reciclo será empregado em todas as concretizações.
Como resultado da presença das placas 14, nenhumacomunicação de fluxo de lama é possível entre os canais de lama 16, a todasas elevações entre suas extremidades superiores abertas e suas extremidadesinferiores abertas. Porém, acima das extremidades superiores abertas doscanais de lama 16 do sub-reator superior 34, não há nenhuma restrição nofluxo de lama. Semelhantemente, na zona intermediária 38 e abaixo dasextremidades inferiores abertas dos canais de lama 16 do sub-reator inferior36 não há nenhuma restrição no fluxo de lama.
Um reator de lama trifásico de acordo com a invenção podeincluir uma pluralidade de módulos de reator dispostos horizontalmente ousub-reatores, que estarão assim na mesma elevação dentro do envoltório dereator 12, mas dispostos pela área de seção transversal do envoltório de reator12. Nas Figuras 3 e 4, alguns destes módulos de reator dispostoshorizontalmente ou sub-reatores ou bancos de placas são mostrados eindicados por numerai de referência 60. Associadas com os sub-reatores 60,estão zonas de tubo descendente 'downcomer' indicadas por numerai dereferência 62. Um arranjo de borrifador 64 é provido abaixo dos sub-reatores60 e zonas de tubo descendente 'downcomer' 62.
Como será notado, as zonas de tubo descendente 'downcomer'62 também incluem uma pluralidade de paredes ou placas de divisor seestendendo verticalmente 14 do mesmo modo como os sub-reatores 60.Porém, o arranjo de borrifador 64 não provê gás às zonas de tubo descendente'downcomer' 62, permitindo as zonas 62 funcionarem como 'downcomers' enão como sub-reatores ou elevadores.
Como os sub-reatores 60, as zonas de tubo descendente'downcomer' 62 têm canais de lama e canais de meio de transferência de calorque são arranjados alternadamente.
Nas Figuras 3 e 4, as alturas dos sub-reatores 60 e das zonas detubo descendente 'downcomer' 62 são mostradas como sendo iguais. Seráporém apreciado que elas podem ser diferentes em altura, largura eprofundidade de canal.
Como indicado pelas setas cruzadas 61 na Figura 4, não hánenhuma troca de lama entre os sub-reatores 60 ou entre os sub-reatores 60 eas zonas de tubo descendente 'downcomer' 62, exceto acima das extremidadessuperiores abertas dos canais de lama e abaixo das extremidades abertasinferiores dos canais de lama.
As placas paralelas de um sub-reator ou banco de placaspodem definir canais 16 com lados abertos, como mostrado na Figura 13, ouos sub-reatores podem ter paredes laterais 63 como mostrado na Figura 14.
Quando os lados dos canais 16 estão fechados por paredes laterais 63, comomostrado na Figura 14, não pode haver nenhuma interação entre a lama noscanais 16 de um tal sub-reator com a lama nos canais 16 de um sub-reatoradjacente, a menos que aberturas sejam providas nas paredes laterais 63.
Naturalmente, paredes laterais podem conter mais de um sub-reator ou bancode placas.
Quando dois sub-reatores são arranjados com suas placas 14paralelas, como mostrado na Figura 15, e na ausência de paredes laterais,lama nos canais 16 de um sub-reator pode interagir com a lama nos canais 16do sub-reator adjacente. Quando as placas 14 de sub-reatores adjacentes sãoperpendiculares, como mostrado na Figura 16, a placa de extremidade de umsub-reator em efeito define uma parede lateral, prevenindo interação entrelama nos canais 16 dos dois sub-reatores.
Se referindo à Figura 5 dos desenhos, sub-reatores superiores34 e sub-reatores inferiores 36 como também dois 'downcomers' ou zonas detubo descendente 'downcomer' 62 são mostradas. Dois arranjos de borrifador64, um abaixo dos sub-reatores superiores 34 e um abaixo dos sub-reatoresinferiores 36, também são mostrados. Na disposição de reator mostrada naFigura 5, os 'downcomers' ou zonas de tubo descendente 'downcomer' 62 seestendem das extremidades abertas superiores dos canais de lama dos sub-reatores superiores 34 pela zona intermediária 38 para abaixo dasextremidades inferiores abertas dos sub-reatores inferiores 36 e na realidadepara abaixo do arranjo de borrifador inferior 64. Com este arranjo, grandecirculação axial de lama em um padrão conhecido e controlado pode seralcançada. Também é possível permitir troca de lama limitada entre sub-reatores adjacentes 34.a e 34.b ou 36.a e 36.b. Como será apreciado, os canaisde lama podem ser projetados para ter uma área de superfície de transferênciade calor desejada, diâmetro hidráulico, etc. Se desejado, borrifação de gásadicional pode ser instalada entre sub-reatores espaçados verticalmente, nazona intermediária 38 e dispositivos de filtração internos podem ser instaladosna zona intermediária 38 ou em um dos 'downcomers' ou zonas de tubodescendente 'downcomer' 62. Uma vantagem de colocar elementos internostais como filtros em um 'downcomer' ou zona de tubo descendente'downcomer' é a interrupção de gás reduzida e velocidades relativamente altasencontradas em uma zona de tubo descendente 'downcomer'. Selecionando oslocais dos 'downcomers' ou zonas de tubo descendente 'downcomer' 62 e oscolocando em posições particulares na área de seção transversal do envoltóriode reator 12, circulação de lama de grande escala pode ser influenciadaseveramente para alcançar objetivos desejados.
'Downcomers' ou zonas de tubo descendente 'downcomer'podem ser úteis em nivelar o perfil de interrupção de sólidos e perfil detemperatura através da altura de um reator de lama trifásico. Ao mesmotempo, porém, eles induzem mistura axial, que às vezes pode não serdesejável. Através de projeto, a mistura axial pode ser promovida (resultandoem um tipo de modo de operação de elevador -'downcomer') ou pode sersuprimida a fim de promover características de fluxo tampão para o reator.
Figuras 6 a 9 mostram várias concretizações de reatores delama trifásicos de acordo com a invenção, com vários arranjos de'downcomer'. Na Figura 6, o reator tem quatro sub-reatores espaçadosverticalmente ou bancos de placas, sem nenhum 'downcomer'. Na Figura 3, émostrado que um 'downcomer' de topo a fundo se estendendo linearmenteaxialmente pelos sub-reatores ou bancos de placas, pode ser empregado.Figura 8 ilustra como 'downcomers' em cada sub-reator ou banco de placaspode ser arranjado de forma que os 'downcomers', quando vistos em plano,sejam alternados entre sub-reatores superiores e inferiores ou bancos deplacas. Figura 9 ilustra um reator de lama trifásico com paredes ou placas dedivisor se estendendo substancialmente o comprimento inteiro do reator, deuma região de fundo a uma região de espaço superior, com um único'downcomer' se estendendo do espaço superior à região de fundo.
Vários arranjos de 'downcomers' ou zonas de tubo descendente'downcomer' são mostrados nas Figuras 17a 20, nas quais os 'downcomers' ouzonas de tubo descendente 'downcomer' são indicadas por numerai dereferência 70. Na Figura 17, as zonas de tubo descendente 'downcomer' 70são distribuídas pela área de seção transversal do envoltório de reator 12. NaFigura 18, as zonas de tubo descendente 'downcomer' 70 é adjacente aoenvoltório de reator 12, sendo aproximadamente anular em vista de cima. Azona de tubo descendente 'downcomer' 70 na Figura 19 está contra um ladodo envoltório de reator 12 e na Figura 20, a zona de tubo descendente'downcomer' 70 está localizada centralmente.
Por meio do arranjo selecionado para os sub-reatores e'downcomer' ou zonas de tubo descendente 'downcomer', é possível permitirou prevenir interação de fluxo de lama entre zonas de fluxo acima diferentesno reator (definidas pelos canais de lama), e prevenir ou negar interação entreestas zonas de fluxo acima e zonas de fluxo abaixo (definidas pelos'downcomers' ou zonas de tubo descendente 'downcomer'). Assim, em umreator tal como o reator 100, a uma elevação particular tal como a elevaçãoindicada por numerai de referência 72 na Figura 2, muitas configurações sãopossíveis, algumas das quais são mostradas nas Figuras 21 a 28 dos desenhos.
Na Figura 21, as zonas de fluxo abaixo 70 estão contra oslados do envoltório de reator 12. Cada sub-reator, indicado por numerai dereferência 74, tem paredes laterais, por esse meio prevenindo interação delama entre os sub-reatores 74, e entre os sub-reatores 74 e as zonas de fluxoabaixo 70.
Os sub-reatores 74 na Figura 22 não têm paredes laterais e oscanais de lama de sub-reatores adjacentes 74 são paralelos. A lama nestescanais de lama assim pode interagir. Em contraste, na Figura 23, os canais delama de sub-reatores adjacentes 74 são arranjados perpendicularmente. Ossub-reatores individuais 74 não têm paredes laterais, embora o grupo de vintee cinco sub-reatores tenha uma parede lateral 76. Os sub-reatores 74 sãoespaçados ligeiramente, permitindo interação de lama limitada entre sub-reatores adjacentes 74, mas com o arranjo perpendicular das placasprevenindo uma interação de lama mais livre entre sub-reatores adjacentes 74.Nenhuma interação de lama é permitida entre as zonas de fluxo acima, isto é,os sub-reatores 74 e as zonas de tubo descendente 'downcomer' 70.
Na Figura 24, os sub-reatores 74 são todos providos comparedes laterais e as zonas de tubo descendente 'downcomer' 70 sãodistribuídas. Não há assim nenhuma interação de lama entre os sub-reatores74, ou entre os sub-reatores 74 e as zonas de tubo descendente 'downcomer'70. Em contraste, na Figura 25, os sub-reatores 74 não têm paredes laterais eas zonas de tubo descendente 'downcomer' 70 só são adjacentes ao envoltório12. Interação de lama significativa entre os sub-reatores 74, e entre os sub-reatores 74 e as zonas de tubo descendente 'downcomer' 70 pode acontecer.Na Figura 26, os sub-reatores 74 estão novamente sem paredes laterais, masmuitos estão arranjados com seus canais de lama perpendiculares aos canaisde lama de sub-reatores adjacentes 74. Embora haverá assim alguma interaçãoentre sub-reatores adjacentes 74 e entre os sub-reatores 74 e as zonas de tubodescendente 'downcomer' 70, a interação de lama será mais limitada do queno caso do reator mostrado na Figura 25.
Figura 27 mostra um reator semelhante ao reator mostrado naFigura 26, mas no caso do reator da Figura 27, as zonas de tubo descendente'downcomer' 70 estão dispostas pela área de seção transversal do reator.
Na Figura 28, a zona de tubo descendente 'downcomer' 70 estálocalizada contra um lado do envoltório de reator 12. Há interação de lamalimitada entre os sub-reatores 74 como resultado do espaçamento leve entreos sub-reatores 74, embora eles estejam arranjados a ângulos perpendiculares.Uma barreira ou parede lateral 76 previne substancialmente interação de lamaentre a lama nos sub-reatores 74 e a lama na zona de tubo descendente'downcomer' 70.
Várias estratégias de borrifação de gás são mostradas nasFiguras 10 a 12. Na Figura 10, o gás é introduzido em dois estágios, umaporção do gás entrando em uma região de fundo do reator e outra porção dogás entrando em uma zona intermediária entre dois sub-reatores ou bancos deplacas. Nas Figuras 11 e 12, os borrifadores de gás são mostrados emcombinação com 'downcomers' ou zonas de tubo descendente 'downcomer1.Como pode ser visto claramente, é possível prover gás só a uma porção daárea de seção transversal do reator, ambas nas zonas de fundo e intermediária.
O método e aparelho da presente invenção portanto permitemrisco muito reduzido ao ampliar projetos de reator de fluxo de lama, desdeque a formação de padrões de mistura de macro-escala é prevenidagrandemente pela presença de canais de lama. Além disso, e especialmentepara projetos incluindo 'downcomers' ou zonas de tubo descendente'downcomer', a zona de reação consiste em vários canais de lama, em que umataxa de fluxo de líquido superficial ascendente conhecida e uma velocidade degás superficial ascendente conhecida existem. Estes canais de lama sãosujeitos a ação piloto e modelagem, dando ao projetista um grau maior decontrole sobre os padrões de mistura de reator de grande escala. Além disso,os canais de lama são formados por superfícies de trocador de calor. Istoconduz a habilidade de remoção de calor muito melhorada para estes projetossobre projetos padrão nos quais serpentinas de esfriamento são empregadas.Não só é a área de superfície de remoção de calor disponível aumentada, mastambém espalhada mais uniformemente através do reator.

Claims (31)

1. Método de operar um reator de lama trifásico, o métodocaracterizado pelo fato de incluir:alimentar a um nível baixo através de um envoltório do reatorpelo menos um reagente gasoso em um corpo de lama de partículas sólidassuspensas se estendendo verticalmente em um líquido de suspensão, o corpode lama estando contido em uma pluralidade de canais de lama se estendendoverticalmente espaçados horizontalmente dentro de um envoltório de reatorque é um envoltório de reator comum, os canais de lama sendo definidos entreparedes ou placas de divisor se estendendo verticalmente espaçadashorizontalmente e cada canal de lama tendo uma altura, largura eprofundidade tal que a altura e profundidade sejam muito maiores que alargura, o corpo de lama se estendendo continuamente de um fundo domesmo para um nível de lama normal abaixo de um espaço superior de modoque bolhas atravessem o corpo de lama contínuo desde onde o reagentegasoso é introduzido ao nível de lama normal;permitir ao reagente gasoso reagir quando passa para cimapelo corpo de lama presente nos canais de lama, por esse meio para formarproduto não gasoso e/ou gasoso;permitir produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagidodesprender do corpo de lama em um espaço superior acima do corpo de lama;retirar produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagido doespaço superior; ese necessário, manter o corpo de lama a um nível desejadoretirando lama ou líquido de suspensão, incluindo produto não gasoso sepresente, ou adicionando lama ou líquido de suspensão.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que pelo menos alguns dos canais de lama estão em comunicação defluxo de lama acima de extremidades superiores dos canais de lama.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que as paredes ou placas de divisor de pelo menos alguns doscanais de lama separam ditos canais de lama de espaços de fluxo de meio detransferência de calor adjacentes, o método incluindo passar um meio detransferência de calor pelos espaços de fluxo de meio de transferência de calorpara trocar calor em relação indireta com o corpo de lama presente nos canaisde lama.
4. Método de operar um reator de lama trifásico, o métodocaracterizado pelo fato de incluir:alimentar a um nível baixo através de um envoltório do reatorpelo menos um reagente gasoso em um corpo de lama de partículas sólidassuspensas se estendendo verticalmente em um líquido de suspensão, o corpode lama estando contido em uma pluralidade de canais de lama se estendendoverticalmente espaçados horizontalmente dentro de dito envoltório de reatorque é um envoltório de reator comum, pelo menos algum dos canais de lamaestando em comunicação de fluxo de lama acima de extremidades superioresabertas dos canais de lama e pelo menos alguns dos canais de lama sendodefinidos por paredes separando os canais de lama de um espaço ou espaçosde fluxo de meio de transferência de calor, o corpo de lama se estendendocontinuamente de um fundo do mesmo para um nível de lama normal abaixode um espaço superior de modo que bolhas atravessem o corpo de lamacontínuo desde onde o reagente gasoso é introduzido ao nível de lama normalem uma maneira em fluxo tampão;permitir ao reagente gasoso reagir quando passa para cimapelo corpo de lama presente nos canais de lama, por esse meio para formarum produto não gasoso e/ou gasoso;passar um meio de transferência de calor pelo espaço ouespaços de fluxo de meio de transferência de calor para trocar calor emrelação indireta com o corpo de lama presente nos canais de lama;permitir a lama passar para baixo de um nível alto no corpo delama para um nível inferior disso, usando uma ou mais zonas de tubodescendente 'downcomer' ou 'downcomers' dentro do envoltório de reator;permitir a produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagidodesprender do corpo de lama em um espaço superior acima do corpo de lama;retirar produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagido doespaço superior; ese necessário, manter o corpo de lama a um nível desejadoretirando lama ou líquido de suspensão, incluindo produto não gasoso sepresente, ou adicionando lama ou líquido de suspensão.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelofato de que pelo menos alguns dos canais de lama estão em comunicação defluxo de lama abaixo de extremidades inferiores abertas dos canais de lama, ométodo incluindo prevenir comunicação de fluxo de lama a todas as elevaçõesentre as extremidades superiores abertas e extremidades inferiores abertas doscanais de lama.
6. Método de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizadopelo fato de que os canais de lama são definidos por tubos se estendendoverticalmente entre chapas de tubo, com o espaço de fluxo de meio detransferência de calor sendo definido entre as chapas de tubo e cercando ostubos.'
7. Método de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizadopelo fato de que os canais de lama são definidos por paredes ou placas dedivisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente, com espaçosde fluxo de meio de transferência de calor também sendo definidos entreparedes ou placas de divisor se estendendo verticalmente espaçadashorizontalmente, e com pelo menos alguns dos canais de lama sendoseparados de espaços de fluxo de meio de transferência de calor adjacentespor paredes ou placas de divisor comuns ou compartilhadas e em que pelomenos algumas das paredes ou placas de divisor são paralelas entre si,definindo canais de lama e espaços de fluxo de meio de transferência de calorcom uma altura, largura e profundidade tal que a altura e profundidade sejammuito maiores que a largura.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 7 inclusive, caracterizado pelo fato de que o fluxo descendente de lama naszonas de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomers' é suficientementealto que não haja substancialmente nenhum fluxo descendente de lama noscanais de lama.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que as partículas sólidas são partículasde catalisador para catalisar a reação do reagente gasoso ou reagentes gasososem um produto líquido e/ou um produto gasoso, e em que o líquido desuspensão inclui o produto líquido, se qualquer.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que a reação é síntese de hidrocarbonetos de Fischer-Tropsch.
11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizadopelo fato de que os canais de lama têm uma altura de pelo menos 0,5 m, oscanais de lama sendo definidos por paredes ou placas de divisor espaçadashorizontalmente, e os canais de lama tendo uma largura na gama de 2 cm a 50cm.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que os canais de lama têm uma profundidade na gama de 0,2 m a 1 m.
13. Método de acordo com a reivindicação 11 ou 12,caracterizado pelo fato de que o envoltório de reator tem um diâmetro de pelomenos 1 m.
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que zonas de reator se estendendoverticalmente, dispostas horizontalmente são definidas dentro do envoltóriode reator, onde cada zona de reator disposta horizontalmente inclui umapluralidade de canais de lama e opcionalmente um ou mais espaços de fluxode meio de transferência de calor, o método incluindo prevenir comunicaçãode fluxo de lama entre zonas de reator se estendendo verticalmente, dispostashorizontalmente adjacentes e a todas as elevações entre extremidades abertassuperiores e inferiores dos canais de lama em uma zona de reator dispostahorizontalmente.
15. Método de acordo com reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que canais de lama são definidos por paredes ou placas de divisorespaçadas horizontalmente, e em que zonas de reator dispostashorizontalmente são definidas arranjando as paredes ou placas de divisor emzonas de reator dispostas horizontalmente adjacentes a ângulosperpendiculares de forma que uma parede ou placa de divisor de extremidadeem uma das zonas de reator dispostas horizontalmente em efeito forme umaparede lateral para a zona de reator disposta horizontalmente adjacente.
16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que inclui conter o corpo de lama emzonas de reator espaçadas verticalmente, cada uma incluindo uma pluralidadede canais de lama e opcionalmente um ou mais espaços de fluxo de meio detransferência de calor, uma zona de lama intermediária sendo definida entreditas zonas de reator espaçadas verticalmente.
17. Método de acordo com a reivindicação 4 e 16,caracterizado pelo fato de que uma ou mais das zonas de tubo descendente'downcomer' ou 'downcomers' se estendem da ou acima das extremidadessuperiores abertas dos canais de lama, ou canais de lama em uma zona dereator espaçada verticalmente superior se presente, para ou abaixo deextremidades inferiores abertas dos canais de lama, ou canais de lama em umazona de reator espaçada verticalmente de fundo se presente, e/ou em que umaou mais das zonas de tubo descendente 'downcomer' ou 'downcomers' seestendem da ou acima das extremidades superiores abertas dos canais de lamade uma zona de reator, para ou abaixo de extremidades inferiores abertas doscanais de lama de dita zona de reator.
18. Reator de lama trifásico, o reator caracterizado pelo fato deincluir:um envoltório de reator contendo uma pluralidade de canais delama se estendendo verticalmente espaçados horizontalmente que, em uso,conterão uma lama de partículas sólidas suspensas em um líquido desuspensão, os canais de lama sendo definidos entre paredes ou placas dedivisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente e cada canalde lama tendo uma altura, largura e profundidade tal que a altura eprofundidade sejam muito maiores que a largura, os canais de lama sendoagrupados juntos em módulos de reator ou sub-reatores;uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator; euma saída de gás na envoltório para retirar gás de um espaçosuperior no envoltório acima dos canais de lama.
19. Reator de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que pelo menos algumas das paredes ou placas de divisordefinem pelo menos parcialmente espaços ou canais de fluxo de meio detransferência de calor.
20. Reator de acordo com a reivindicação 18 ou 19,caracterizado pelo fato de que a zona de lama tem um nível de lama normalacima de extremidades superiores abertas dos canais de lama de forma quepelo menos alguns dos canais de lama estejam em comunicação de fluxo delama acima de suas extremidades superiores abertas.
21. Reator de lama trifásico, o reator caracterizado pelo fato deincluir:um envoltório de reator contendo uma pluralidade de canais delama se estendendo verticalmente espaçados horizontalmente que, em uso,conterão uma lama de partículas sólidas suspensas em um líquido desuspensão, os canais de lama estando localizados em uma zona de lamadentro do envoltório de reator que tem um nível de lama normal acima deextremidades superiores abertas dos canais de lama de forma que pelo menosalguns dos canais de lama estejam em comunicação de fluxo de lama acimade suas extremidades abertas, os canais de lama sendo agrupados juntos emmódulos de reator ou sub-reatores;um espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência decalor definidos por paredes dos canais de lama separando os canais de lamado espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calor de forma queem uso transferência de calor em relação de transferência de calor indiretapossa acontecer entre lama nos canais de lama e um meio de transferência decalor no espaço ou espaços de fluxo de meio de transferência de calor;uma ou mais zonas de tubo descendente 'downcomer' ou'downcomers' pelos quais lama pode passar de um nível alto na zona de lamapara um nível inferior disso;uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator;uma saída de gás no envoltório para retirar gás de um espaçosuperior no envoltório acima dos canais de lama; ese necessário, uma entrada de líquido para adicionar ou retirarlama ou líquido de suspensão para ou do reator.
22. Reator de acordo com a reivindicação 21, caracterizadopelo fato de que pelo menos alguns dos canais de lama estão em comunicaçãode fluxo de lama abaixo de extremidades inferiores abertas dos canais delama, os canais de lama tendo paredes configuradas para prevenir fluxo delama de ou nos canais de lama diferentes de por extremidades superioresabertas e inferiores abertas dos canais de lama.
23. Reator de acordo com a reivindicação 21 ou 22,caracterizado pelo fato de que os canais de lama no reator são definidos portubos se estendendo verticalmente entre chapas de tubo, com o espaço defluxo de meio de transferência de calor sendo definido entre as chapas detubos e cercando os tubos.
24. Reator de acordo com a reivindicação 21 ou 22,caracterizado pelo fato de que os canais de lama são definidos por paredes ouplacas de divisor se estendendo verticalmente espaçadas horizontalmente,com os espaços de fluxo de meio de transferência de calor também sendodefinidos entre paredes ou placas de divisor se estendendo verticalmenteespaçadas horizontalmente, e pelo menos algumas das paredes ou placas dedivisor paralelas entre si, definindo canais de lama e espaços de fluxo de meiode transferência de calor com uma altura, largura e profundidade tal que aaltura e profundidade sejam muito maiores que a largura.
25. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 18a 24, caracterizado pelo fato de que os módulos de reator ou sub-reatores sãodispostos horizontalmente pela área de seção transversal do envoltório dereator.
26. Reator de acordo com a reivindicação 25, caracterizadopelo fato de que os sub-reatores têm paredes laterais se estendendoverticalmente separando-os de sub-reatores espaçados horizontalmenteadjacentes e em que as paredes laterais se estendendo verticalmente sãoconfiguradas para prevenir comunicação de fluxo de lama entre sub-reatoresespaçados horizontalmente adjacentes a todas as elevações entre extremidadesabertas superiores e inferiores dos canais de lama dos sub-reatores dispostoshorizontalmente adjacentes.
27. Reator de acordo com a reivindicação 25 ou 26,caracterizado pelo fato de que os canais de lama são definidos por paredes ouplacas de divisor que são paralelas dentro de cada sub-reator de forma que ossub-reatores adjacentes cada um tenha um eixo de profundidade, e em que oseixos de profundidade de sub-reatores dispostos horizontalmente adjacentessão perpendiculares.
28. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 25a 27 inclusive, caracterizado pelo fato de que inclui módulos de reator ou sub-reatores que são espaçados verticalmente, com as extremidades superioresabertas dos canais de lama de um sub-reator inferior ou sub-reatores estandoabaixo das extremidades inferiores abertas dos canais de lama de um sub-reator superior ou sub-reatores.
29. Reator de acordo com reivindicação 28, caracterizado pelofato de que inclui uma zona intermediária entre sub-reatores superiores e sub-reatores inferiores, com dita zona intermediária estando em comunicação defluxo com canais de lama de um sub-reator superior ou sub-reatores e comcanais de lama de um sub-reator inferior ou sub-reatores.
30. Reator de acordo com a reivindicação 29, caracterizadopelo fato de que inclui uma entrada de gás em dita zona intermediária entresub-reatores superiores e inferiores.
31. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 18a 30 inclusive, caracterizado pelo fato de que uma ou mais zonas de tubodescendente 'downcomer' ou 'downcomers' se estendem da ou acima dasextremidades superiores abertas dos canais de lama, ou os canais de lama deum sub-reator superior se presente, para ou abaixo de extremidades inferioresabertas dos canais de lama, ou canais de lama de um sub-reator inferior sepresente, e/ou em que uma ou mais zonas de tubo descendente 'downcomer'ou 'downcomers' se estendem da ou acima das extremidades superioresabertas dos canais de lama em um sub-reator, para ou abaixo de extremidadesinferiores abertas dos canais de lama de dito sub-reator.
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