BRPI0609390A2 - processo de reformação para produção de gás de sìntese e respectiva instalação - Google Patents

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Abstract

PROCESSO DE REFORMAçãO PARA PRODUçãO DE GáS DE SìNTESE E RESPECTIVA INSTALAçãO. A presente invenção se refere a um processo de reformação para produção de gás de síntese (12), a partir de uma mistura de hidrocarbonetos (14), cujo processo compreende uma primeira etapa ou etapa de pré-reformação, na qual uma mistura de processo (18), que compreende a dita mistura de hidrocarbonetos (14) e vapor (16), se submete a uma reação preliminar de conversão catalítica, obtendo-se um produto de conversão parcial (22) compreendendo hidrogênio, óxidos de carbono e hidrocarbonetos, e uma segunda etapa, ou etapa principal de reformação, na qual o dito produto de conversão parcial (22) é submetido a uma reação de conversão final, obtendo-se o dito gás de síntese (12), em que a dita etapa de pré-reformação se realiza em condições pseudo-isotérmicas.

Description

"PROCESSO DE REFORMAÇÃO PARA PRODUÇÃO DE GÁS DESÍNTESE E RESPECTIVA INSTALAÇÃO" .
Campo de Aplicação
A presente invenção se refere, em seu- aspectomais geral, à produção de gás de sintese, isto é, umamistura compreendendo hidrogênio e oxidos de carbono, queconstitui a base para diferentes produções, incluindo,fertili zantes, metanol e seus derivados e diversos compostos de química orgânica.
Em particular, a presente invenção se refere a umprocesso de reformação para produção de gás de sintese, apartir de uma mistura de hidrocarbonetos, cujo processo édo tipo que compreende uma primeira etapa ou etapa de pré- reformação, na qual uma mistura de processo que compreendea dita mistura de hidrocarbonetos e vapor, se submete a umareação preliminar de conversão cataiitica, obtendo-se umproduto de conversão parcial compreendendo hidrogênio,óxidos de carbono e hidrocarbonetos, e uma segunda etapa, ou etapa principal de ref ormação, na qual o dito produto deconversão parcial é submetido a uma reação de conversãofinal, obtendo-se o dito gás de sintese.
Estado da Técnica
É conhecido que em uma escala industrial, o gásde sintese é obtido:através de uma reação de conversão catalítica dehidrocarbonetos na presença de vapor, tipicamente realizadaem um equipamento de reformação a vapor (chamado dereformador a vapor), ou
através de uma reação de oxidação parcial dehidrocarbonetos em um equipamento de reformação poroxidação parcial não-catalitica (chamado de dispositivooxidador parcial), ou
através de uma reação de oxidação parcial dehidrocarbonetos em um equipamento de reformação poroxidação parcial cataiitica (chamado de dispositivoreformador autotérmico).
No presente pedido de patente, o termo"reformação principal" é entendido como qualquer dos trêsprocessos mencionados acima ou uma combinação dos mesmos.
É também um requisito bem conhecido se obter umqás de sintese rico em hidrogênio, por exemplo, com um teorde hidrogênio entre 4 0 e 50% (base seca) , sem ter de seproporcionar um equipamento de reformação, a partir dequalquer dos três tipos mencionados acima, o que éparticularmente complexo, em termos de custos deinvestimento e em termos de custos de administração emanutenção.
Dentro de tal finalidade, o estado da técnica fazuso de um processo de ref ormação para produção de gás desintese, a partir de uma mistura gasosa de hidrocarbonetos,no qual uma etapa de pré-reformação é proporcionadaanteriormente a uma etapa de reformação principal, de modoque o equipamento de reformação possa operar uma misturagasosa, na qual os hidrocarbonetos já tenham sidoparcialmente convertidos em gás de sintese. A etapa de préreformação se realiza em um apropriado reator químico,também conhecido como pré-reformador, o qual é menoscomplexo que o equipamento de reformação,, através de umareação de conversão catalitica dos hidrocarbonetos, napresença de vapor. Tal equipamento toma a forma de umreator do tipo adiabático, que geralmente é dotado de umúnico leito cataiitico. Na posição a montante do reator,pode ser também proporcionada uma seção de recuperação decalor, para recuperar o calor da mistura de processogasosa, a dita mistura gasosa compreendendo hidrocarbonetose vapor, os quais são reagidos.
Embora se j a vantaj oso segundo diferentes pontosde vista um processo de reformação para produção de gás desintese de acordo com o que foi esquematicamente descrito,o mesmo apresenta reconhecidos inconvenientes, o principaldeles sendo que o produto de conversão parcial obtido naetapa de pré-reformação possui um grau bastante limitado deconversão de hidrocarbonetos em gás de sintese, porexemplo, se obtém uma conversão em gás de sintese com umvalor percentual entre 5% e 2 5% da mistura gasosa inicialde hidrocarbonetos, assim, cooperando com a seguinte etapade reformação principal de uma maneira não inteiramentesatisfatória.Resumo da Invenção
0 problema técnico que fundamenta a presenteinvenção é aquele de delinear e proporcionar um processo deref ormação para produção de gás de sintese do tipoconsiderado, capaz de satisfazer às exigências indicadasacima e, simultaneamente, capaz de permitir a obtenção deum grau de conversão dos hidrocarbonetos em gás de sintesena etapa de pré-reformação melhor que o citado no estado datécnica, de uma maneira simples e de custo adequado.
Esse problema é solucionado, de acordo com apresente invenção, mediante um processo de reformação paraprodução de gás de sintese, a partir de uma mistura dehidrocarbonetos, dito processo sendo do tipo mencionadoacima e caracterizado pelo fato de que a dita etapa de pré-reformação é realizada em condições pseudo-isotérmicas.
Desse modo, ao se manter a temperatura docatalisador usado na etapa de pré-reformaçãosubstancialmente constante, se torna possivel obter nasaida da etapa de pré-reformação, um produto de conversãoparcial, em que, por exemplo, um percentual entre 15% e 40%de hidrocarbonetos foi convertido em gás de sintese.
Outras características e vantagens do processo dereformação para produção de gás de sintese, de acordo com apresente invenção, se tornarão evidentes a partir dadescrição seguinte de uma modalidade preferida da mesma,feita com fins ilustrativos e não-limitativos, tomando-secomo referência os desenhos anexos.Breve Descrição dos Desenhos
A figura 1 representa, de forma esquemática, umainstalação de reformação para produção de gás de sintese,na qual se realiza o processo de reformação, de acordo coma presente invenção.
Descrição Detalhada de uma Modalidade Preferida
Com referência à figura 1, é mostrada umainstalação de reformação para produção de gás de sintese,totalmente indicada pela referência numérica (10), na qualse realiza um processo para produção de gás de sintese(12), em conformidade com a presente invenção.
O processo de reformação para produção de gás desintese acima mencionado é realizado a partir de umamistura de hidrocarbonetos (14). A mistura dehidrocarbonetos (14) é preferivelmente gasosa e, portanto,doravante na descrição, deverá ser feita referência a umamistura desse tipo.
O vapor (16) é introduzido dentro da misturagasosa de hidrocarbonetos (14), obtendo-se uma mistura deprocesso gasosa (18), que compreende hidrocarbonetos evapor. Preferivelmente, a mistura gasosa de hidrocarbonetos(14) é aquecida, antes do vapor (16) ser introduzido.
O processo compreende uma primeira etapa ou etapade pré-ref ormação, na qual a dita mistura de processogasosa (18) é submetida a uma reação preliminar deconversão catalitica, obtendo-se um produto de conversãoparcial (22) compreendendo hidrogênio, óxidos de carbono ehidrocarbonetos.
A dita etapa de pré-reformação é seguida de umasegunda etapa ou etapa de reformação principal, na qual odito produto de conversão parcial (22) é submetido a umareação de conversão final, obtendo-se o dito gás de sintese(12) .
De acordo com um aspecto da presente invenção, adita etapa de pré-reformação é realizada em condiçõespseudo-isotérmicas. Preferivelmente, a dita etapa de pré-reformação se realiza sob uma temperatura entre 400°C e650°C. Assim, foi descoberto que no produto de conversãoparcial (22), por exemplo, um percentual maior que 30% dehidrocarbonetos foi convertido em gás de sintese.
Uma vez que a reação de conversão catalitica queé realizada na etapa de pré-reformação é endotérmica, setorna necessário suprir calor ao leito catalitico.
A instalação de reformação (10) compreende, emmútua comunicação fluida e sucessivamente entre si, umapossivel seção de preaquecimento (26), uma seção de pré-reformação (28), a qual compreende uma primeira área dereação (20), na qual a dita etapa de pré-reformação érealizada e uma seção de reformação principal (30), a qualcompreende uma segunda área de reação (24), na qual a ditaetapa de reformação principal é realizada.
A seção de preaquecimento (26) é também dotada deuma porção de purificação, isto é, uma porção dedessulfurização, da mistura gasosa de hidrocarbonetos (14).A seção de reformação principal (30) podeconsistir de um reformador a vapor, um oxidador parcial ouum reformador autotérmico, ou uma combinação dos mesmos.
De acordo com outro aspecto da presente invenção,a primeira área de reação (20) da seção de pré-reformação(28) se apresenta na forma de um leito catalitico de umreator pseudo-isotérmico (34), em que no dito leitocatalitico é suportada uma unidade de troca de calor (36)onde circula um fluido operacional de troca de calor, ditaunidade de troca de calor (36) fornecendo calor ao ditoleito catalitico. Alternativamente, podem ser
proporcionadas diversas unidades de trocador de calor.
Preferivelmente, a unidade de troca de calor (36)compreende trocadores de calor tipo placa per siconhecidos; esses trocadores de calor apresentam corpos noformato de caixas substancialmente achatadas, tendoconfigurações substancialmente na forma de paralelepipedo,forma retangular, definindo respectivas câmaras internascruzadas pelo dito fluido operacional de troca de calor.
Numa modalidade preferida da invenção, os gasesna saida do reator pseudo-isotérmico (34) são parcialmenteenviados para uma unidade de recuperação de calor (38), demodo a serem aquecidos; esses gases são depois introduzidosna unidade de troca de calor (36) (no caso de uso detrocadores de calor tipo placa, esses gases sãointroduzidos dentro das câmaras internas dos própriostrocadores) e, assim, constituem o dito fluido operacionalde troca de calor.Vantajosamente, o calor necessário para a unidadede recuperação de calor (38) pode ser retirado da fumaçaquente gerada na seção de reformação principal (30) ou deum forno para tal construído.
A operação da instalação de reformação (10), deacordo com a invenção, é especificada a seguir.
A mistura gasosa de hidrocarbonetos (14), usadacomo matéria-prima para a geração de gás de sintese, éintroduzida na seção de preaquecimento (26) , onde a mesma éaquecida, por exemplo, até a temperatura de 550°C e,depois, é dessulfurizada.
Na posição a jusante da seção de preaquecimento(26), é introduzida uma quantidade de vapor (16) dentro damistura gasosa de hidrocarbonetos (14), obtendo-se a mistura de processo gasosa (18) que compreendehidrocarbonetos e vapor, a qual é alimentada à seção depré-reformaçâo (28).
De acordo com uma modalidade preferida dainvenção, a qual não se encontra representada, o vapor (16) é também aquecido na seção de preaquecimento (26) . Comrelação a isso, é previsto, por exemplo, a introdução devapor (16) dentro da mistura gasosa de hidrocarbonetos(14), a montante da seção de preaquecimento (26).
A mistura de processo gasosa (18) cruza o leitocatalitico do reator pseudo-isotérmico (34) e reageparcialmente, convertendo os hidrocarbonetos em hidrogênioe óxidos de carbono. A unidade de troca de calor (36)proporciona o calor necessário para essa conversão parcialao leito catalitico do reator pseudo-isotérmico (34).
0 produto de conversão parcial (22),compreendendo hidrogênio, óxidos de carbono ehidrocarbonetos, obtido na seção de pré-reformação (28) édepois enviado para a seção de pré-reformação principal(30), onde ocorre uma completa conversão doshidrocarbonetos, obtendo-se o desejado gás de sintese (12).
Na posição a jusante da seção de reformaçãoprincipal (30) é proporcionada uma seção de recuperação decalor (32), a qual se apresenta geralmente na forma de umacaldeira, onde o gás de sintese (12) produzido é resfriadopara recuperar calor.
Numa adicional modalidade da instalação dereformação, de acordo com a presente invenção, a montanteda seção de reformação principal (30), é proporcionada umaadicional seção de preaquecimento (não ilustrada nafigura), para aquecer o produto de conversão parcial (22)até uma temperatura ótima, por exemplo, 680°C, para areação de reformação que é realizada na seção de reformaçãoprincipal (30). Vantajosamente, o calor necessário para aadicional seção de preaquecimento pode ser retirado dasfumaças quentes geradas na seção de reformação principal(30) ou de um forno construído para tal fim.
Portanto, pode ser claramente visto da descriçãoanterior, que o processo de reformação para produção de gásde sintese de acordo com a invenção, soluciona o problematécnico e obtém numerosas vantagens, a primeira das quaisresidindo no fato de que é permitido um incomum alto graude conversão para a seção de pré-reformação, graças àpossibilidade de controlar precisamente o perfil térmico doleito catalitico do reator pseudo-isotérmico, isto sendopossivel pela presença da unidade de troca de calor nopróprio leito cataiitico e, em particular, pelo fato de queos elementos de troca de calor (por exemplo, os trocadoresde calor do tipo placa) usados se encontram em uma relaçãode troca direta de calor com o catalisador contido no leitocatalitico.
Uma outra vantagem da presente invenção é apossibilidade de otimizar o modelo da seção de reformaçãoprincipal, minimizando a carga sobre a mesma, o quegeralmente é muito mais complexo e dispendioso que a seçãode pré-ref ormação. No caso de uso de um reformadorautotérmico ou de um oxidador parcial, a exigência deoxigênio puro e o conseqüente tamanho da unidade deseparação de ar, adequada para obtenção de tal oxigêniopuro, são minimizados.
Outra vantagem da presente invenção é que no casode instalações de reformação já existentes, é possivel seaumentar a capacidade de produção através da introdução deuma nova seção de pré-reformação com um reator pseudo-isotérmico ou através de modificação da seção de pré-re formação j á existente, conforme descrito na presenteinvenção.
Uma adicional vantagem da invenção, no caso de seusar uma seção de reformação principal com um reformadorautotérmico, é que quando da obtenção de um gás de síntese,por exemplo, para a síntese do metanol, se obtém uma razãoestequiométrica mais favorável para o dito gás de síntesee, ao mesmo tempo, se reduz o consumo de oxigênio doreformador autotérmico.
Logicamente, um especialista versado na técnicapode apresentar numerosas modificações para o processo dereformação para produção de gás de síntese descrito acima,a fim de satisfazer exigências específicas econtingenciais, todas estas sendo cobertas pelo escopo deproteção da presente invenção, conforme definido pelasreivindicações anexas.

Claims (13)

1. Processo de reformação para produção de gás desíntese (12), a partir de uma mistura de hidrocarbonetos(14), do tipo que compreende uma primeira etapa ou etapa depré-reformação, na qual uma mistura de processo (18), quecompreende a dita mistura de hidrocarbonetos (14) e vapor(16) se submete a uma reação preliminar -de conversãocatalitica, obtendo-se um produto de conversão parcial (22)compreendendo hidrogênio, óxidos de carbono ehidrocarbonetos, e uma segunda etapa, ou etapa principal dereformação, na qual o dito produto de conversão parcial(22) é submetido a uma reação de conversão final, obtendose o dito gás de sintese (12) , caracterizado pelo fato deque a dita etapa de pré-ref ormação se realiza em condiçõespseudo-isotérmicas.
2. Processo de reformação, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a ditaetapa de pré-reformação se realiza a uma temperatura entre-400°C e 650°C.
3. Processo de reformação, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que pelo menosuma parte do dito produto de conversão parcial (22), obtidona dita etapa de pré-reformação é submetida a aquecimento eé usada como fluido de operação de troca de calor indiretana dita etapa de pré-reformação.
4. Processo de reformação, de acordo com areivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o calornecessário para o dito aquecimento da dita pelo menos umaparte do produto de conversão parcial (22) é retirado dafumaça quente gerada na dita etapa de reformação principalou de um forno construído para tal fim.
5. Processo de reformação, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de . que a ditamistura de hidrocarbonetos (14) é submetida a umpreaquecimento.
6. Processo de reformação, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ditoproduto de conversão parcial (22), obtido na dita etapa depré-reformação, é submetido ao aquecimento antes de serintroduzido na etapa principal de reformação.
7. Processo de reformação, de acordo com areivindicação 6, caracterizado " pelo fato de que o calornecessário para o dito aquecimento' do dito produto deconversão parcial (22) é retirado da fumaça quente geradana dita etapa de reformação principal.
8. Instalação de reformação (10) para produção degás de sintese (12), a partir de uma mistura dehidrocarbonetos (14), do tipo que compreende, em mútuacomunicação fluida e sucessivamente entre si, uma seção depré-reformação (28), compreendendo uma primeira área dereação (20) e uma seção de reformação principal (30), aqual compreende uma segunda área de reação (24) ,caracterizada pelo fato de que a dita primeira área dereação (20) da seção de pré-reformação (28) se dispõe naforma de um leito catalitico de um reator (34), no qualpelo menos uma unidade de troca de calor (36) é suportada eem que a dita instalação compreende ainda uma unidade derecuperação de calor (38), tendo, respectivamente, umaentrada em comunicação fluida com o dito leito catalitico euma saida em comunicação fluida com a dita pelo menos umaunidade de troca de calor (36) do dito reator pseudo-isotérmico (34).
9. Instalação de reformação (10), de acordo com areivindicação 8, caracterizada pelo fato de que a dita pelomenos uma unidade de troca de calor (36) compreende trocaesde calor do tipo placa.
10. Instalação de reformação (10), de acordo coma reivindicação 8, caracterizada pélo fato de que a ditaunidade de recuperação de calor (38) está em comunicaçãofluida com a dita seção de reformação principal (30) ou comum forno construido para tal fim.
11. Instalação de reformação (10), de acordo coma reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que amontante da dita seção de pré-reformação (28), é providauma seção de preaquecimento (2 6) para aquecer a ditamistura gasosa de hidrocarbonetos (14).
12. Instalação de reformação (10), de acordo coma reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que amontante da seção de reformação principal (30), é providauma adicional seção de preaquecimento para aquecer o ditoproduto de conversão parcial (22) até uma temperatura ótimapara a reação de reformação que é realizada na seção dereformação principal (30).
13. Instalação de reformação (10), de acordo coma reivindicação 12, caracterizada pelo fato de que a ditaseção adicional de preaquecimento está em comunicaçãofluida com a dita seção de reformação principal (30) ou comum forno construído para tal fim.
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