BRPI0617475A2 - dispositivo para misturar dois fluidos, aparelho para realizar oxidaÇÕes catalÍticas parciais de hidrocarbonetos, e, processo de oxidaÇço catalÍtica parcial de combustÍveis gasosos - Google Patents

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Abstract

<B>DISPOSITIVO PARA MISTURAR DOIS FLIMDOS, APARELHO PARA REALIZAR OXIDAÇÕES CATALÍTICAS PARCIAIS DE HIDROCARBONETOS, E, PROCESSO DE OXIDAÇçO CATALÍTICA PARCIAL DE COMBUSTíVEIS GASOSOS <D>É descrito um dispositivo para misturar dois fluidos, inserido em um reator ou combinado com ele, que pode também ser usado para oxidação catalítica parcial, que consiste substancialmente das seguintes zonas: uma primeira zona de alimentação equipada com meios para permitir que um primeiro fluido possivelmente gasoso sob as condições operacionais entre em uma direção axial; - uma zona de distribuição subjacente contendo um feixe de tubos preferivelmente paralelos ao eixo na qual o dito fluido é distribuído uniformemente; - uma segunda zona de alimentação equipada com meios para permitir que um segundo fluido entre na zona de distribuição contendo o feixe de tubos preferivelmente paralelos e seja uniformemente distribuído fora dos ditos tubos paralelos; - uma zona de mistura separada da zona de distribuição por uma placa tubular que suporta os ditos tubos paralelos, a dita placa tubular tendo fendas ou aberturas a fim de descarregar uniformemente o segundo fluido em uma direção axial na área de mistura, e os ditos tubos paralelos estendendo-se além da placa tubular até na zona de mistura.

Description

"DISPOSITIVO PARA MISTURAR DOIS FLUIDOS, APARELHO PARAREALIZAR OXIDAÇÕES CATALÍTICAS PARCIAIS DEHIDROCARBONETOS, E, PROCESSO DE OXIDAÇÃO CATALÍTICAPARCIAL DE COMBUSTÍVEIS GASOSOS"
A presente invenção diz respeito a um dispositivo paramisturar dois fluidos, preferivelmente, um combustível de hidrocarbonetos euma corrente de oxidação, tais como ar, ar enriquecido ou oxigênio, que podeser usado, inserido no reator ou combinado com ele, também em processos deoxidação catalítica parcial com um baixo tempo de contato.
Oxidação catalítica parcial de baixo tempo de contato (SCT-CPO) é um processo usado para a produção de gás de síntese (syngas). Emoxidação catalítica parcial com um baixo tempo de contato, correntes pré-misturadas de um combustível de hidrocarbonetos, um oxidante (ar, arenriquecido ou oxigênio) e opcionalmente vapor, são alimentados a pressõesque variam de 1 a 80 atm e a uma baixa temperatura (T < 400 °C) em umasuperfície catalítica que fica incandescente.
As misturas de reagentes usados em processos de oxidaçãocatalítica parcial de baixo tempo de contato podem ser inflamáveis. A fim deevitar o desencadeamento e propagação de chamas, portanto, é aconselhávelrealizar a mistura em um volume limitado, a temperaturas inferiores àtemperatura de desencadeamento das chamas e por tempos menores que ostempos de retardo de chama. Em oxidação catalítica parcial, à medida que ogás "frio" da corrente pré-misturada atinge um catalisador que esta a uma altatemperatura, é também apropriado que os gases reagentes tenham altasvelocidades lineares, de maneira a limitar o fenômeno de retropropagação decalor na superfície catalítica para a corrente de reagentes gasosos. Além disso,se as velocidades lineares dos gases também excederem a velocidade depropagação das chamas, isto irá extingui-las.
As características do sistema de mistura são portanto cruciaisneste tipo de processo, como, em geral, em todos os processos nos quais énecessário misturar uma corrente de combustível e uma corrente de oxidante,evitando-se reações com chama.
Vários documentos na literatura descrevem equipamento paramisturar correntes de hidrocarbonetos e oxidantes.
A US 2005/0095186 reivindica um aparelho no qual ocombustível e oxidante são misturados graças ao movimento tangencial docombustível. Em nossa opinião, este método não impede a geração local degradientes de concentração de oxigênio, que são potencialmente prejudiciais,já que eles podem causar reações com chama.
A US 2004/0133057 descreve um método para produzir ummisturador capaz de misturar uma corrente de oxidante e de um combustívelem condições seguras, já que a mistura se dá em um fluido mantido sobmovimento turbulento e, conseqüentemente, somente microquantidades dereagente entram em contato íntimo, impedindo assim que possíveis reaçõescom chama espalhem-se para toda a mistura. Em nossa opinião, não somenteeste aparelho não é fácil de produzir e operar, mas ele também não garanteque as duas correntes, na saída do misturador, foram perfeitamentemisturadas.
A U.S. 2004/0067180 descreve um misturador que consiste emmicrocanais nos quais o oxidante e combustível são alimentadosseparadamente. Entretanto, é aconselhável que seu posicionamento sejapróximo da área catalítica, que, em nossa opinião, pode dar consideráveisproblemas de retropropagação de calor, com a possibilidade dedesencadeamento de reações com chama.
A U.S. 6.726.850 reivindica um processo CPO em que ooxigênio total é incrementalmente alimentado durante diversas etapas dereação. A patente não revela nada com relação à geometria do aparelho deinjeção, mas indica pequenos tempos de contato da mistura dehidrocarbonetos/oxigênio (menos que 10 ms na primeira etapa e 1 ms nasetapas subseqüentes).
A U.S. 5.883.138 reivindica um aparelho do qual os reagentespressurizados e pré-aquecidos são injetados com um momento equiparável através de uma misturadora consistindo em uma série de canais e furos quesão abertos em direção à área catalítica. A patente revela que, se o tempo depermanência da mistura HC/O2 for maior que 9 ms, as misturas de metano eoxigênio podem dar início a reações não catalíticas indesejáveis na fase gás.As mesmas considerações feitas para a U.S. 2004/0067180 são também válidas para esta patente.
A U.S. 6.863.867 reivindica o uso de grupos de misturadorasdifusivas arranjadas de maneira a introduzir a carga tanto radialmente quantotangencialmente. Cada misturadora consiste em uma série de dutos que recebea carga de uma extremidade e libera-a na extremidade oposta. Também, neste caso, a patente não revela como minimizar a formação de regiões nas quais arazão oxigênio/hidrocarbonetos cai nas faixas de inflamabilidade.
Foi recentemente verificado um dispositivo que usa o princípioda saída dividida de uma das duas correntes de alimentação, que permite queos limites tecnológicos conhecidos sejam superados, satisfazendo as exigências supramencionadas.
O dispositivo, objeto da presente invenção, para misturar doisfluidos, inserido em um reator ou combinado com ele, compreendesubstancialmente as seguintes zonas:
. uma primeira zona de alimentação equipada com meios para permitir que um primeiro fluido, possivelmente gasoso nas condiçõesoperacionais, entre em uma direção axial;
. uma zona de distribuição subjacente contendo um feixe detubos preferivelmente paralelos ao eixo no interior do qual o dito fluido édistribuído uniformemente;. uma segunda zona de alimentação equipada com meios parapermitir que um segundo fluido entre na zona de distribuição contendo o feixede tubos preferivelmente paralelos e seja uniformemente distribuído fora dosditos tubos paralelos;
. uma zona de mistura separada da zona de distribuição poruma placa tubular que suporta os ditos tubos, preferivelmente paralelos, a ditaplaca tubular tendo fendas ou aberturas a fim de descarregar uniformemente osegundo fluido em uma direção axial na área de mistura, e os ditos tubosparalelos estendendo-se além da dita placa tubular na zona de mistura.
A porção final dos tubos paralelos é preferivelmente equipadacom meios adequados para dividir a saída do fluido distribuída axialmentee/ou radialmente e/ou transversalmente na zona de mistura.
Os ditos tubos paralelos, que estendem-se além da placatubular, podem também ser de diferentes comprimentos.
Elementos adequados podem ser posicionados na área demistura, perto da placa tubular, a fim de parar o retorno de qualquer possívelchama.
Um elemento poroso pode ser colocado na zona de mistura,imediatamente sob a placa tubular, que pode estender-se além dos tubos.
O dispositivo, objeto da invenção, pode situar-se na entrada doreator.
O diâmetro dos tubos do fluido gasoso (oxidante) e das"fendas" é calculado para que as velocidades lineares das duas correntesimpeçam áreas de recirculação das próprias correntes, que, por um lado,mesmo que puderem ser usadas para a mistura, por outro lado aumentam otempo de permanência do gás nas zonas de mistura, aumentando assim aschances de desencadear o fenômeno de propagação de reação com chama.
A distância entre os elementos para bloquear possíveisretornos de chama e as extremidades dos feixes de tubos é tal a minimizar aformação de vórtices que gerariam a reciclagem de uma porção decombustível dentro da corrente oxidante, aumentando assim as chances deformação de chama.
O dispositivo, objeto da invenção, pode ser preferivelmenteinserido na entrada do reator, ou combinado com um reator; em particular, oreator descrito no pedido de patente IT-MI96A000690 pode ser usado.
O dito dispositivo pode também ser parte do próprio reator e,neste caso, o equipamento incluindo o dito dispositivo é um objeto adicionalda presente invenção.
O aparelho para realizar a oxidação catalítica parcial dehidrocarbonetos é caracterizado em que compreende o dispositivo de misturasupradescrito, e em que compreende também uma zona de reação (R),consistindo em um leito catalítico, com uma seção constante ou crescente aolongo do eixo do aparelho.
Um objetivo adicional da presente invenção diz respeito aoprocesso de oxidação catalítica de combustíveis gasosos ou líquidos, realizadopor meio de equipamento que tem o dispositivo supradescrito.
Este processo de oxidação catalítica parcial de combustíveisselecionados de compostos de hidrocarbonetos, gás natural e/ou GLP5 é feitapor meio de sistema catalítico adequado usando o aparelho supradescrito epelas seguintes etapas:
. pré-misturar e possivelmente aquecer os reagentesconsistindo nos ditos combustíveis e oxigênio ou ar, ou ar enriquecido comoxigênio, a temperaturas variando de 25 a 400 °C, possivelmente na presençade vapor e/ou CO2;
. reagir os reagentes na zona catalítica, a temperaturas deentrada variando de 5 a 500 °C, a velocidades espaciais variando de 1.000 a1.000.000 Nl reagentes/L catalisador χ h, atingindo temperaturas variando de450 a 1.500 °C.Em particular, o processo de acordo com a invenção pode serrealizado para obter syngas ou hidrocarbonetos insaturados (etileno, estireno,etc.) começando de combustíveis líquidos ou gasosos.
O catalisador pode consistir em carreadores de óxidos nosquais metais nobres são depositados, tais como Rh, Ru, Ir, Pt e/ou outrosmetais de transição, tais como Ni, Fe, Co. Os carreadores de óxidos podemconsistir em esponjas de metais com diferentes geometrias, ou carreadoresfibrosos metálicos nos quais os mesmos metais são depositados.
O catalisador pode consistir em nitretos ou oxi-nitretoscontendo metais nobres e outros metais de transição, tais como Rh, Ru, Ir, Pt,Ni, Fe, Co. Esses metais podem ser suportados em espécies de nitretos comoagregados metálicos, mas eles podem também ser inseridos na fórmulaquímica do nitreto ou oxi-nitreto (uma descrição mais detalhada dessescatalisadores pode ser encontrada no pedido de patente IT-MI2002A000214).
Os catalisadores usados no processo da presente invençãopodem ser em qualquer forma, preferivelmente, na forma de um leito fixopermeável a um fluido, em particular a um gás. O leito fixo pode ter qualquerforma, e preferivelmente um grau de vácuo variando de 0,4 a 0,95, maispreferivelmente de 0,6 a 0,9.
Algumas modalidades preferidas da presente invenção sãoprovidas com a ajuda das figuras 1-5.
O dispositivo mostrado na figura 1 é equipado com duasdiferentes entradas, para o combustível e para o oxidante. Maisespecificamente, a corrente oxidante entra pelo topo da misturadora e édistribuída em uma série de tubos que tem um pequeno diâmetro. Ocombustível entra pelo lado (diversas entradas podem também estarpresentes) e é distribuído radialmente na câmara de mistura que envelopa ostubos nos quais o oxigênio circula, entrando finalmente na câmara de misturapor meio das "fendas" presentes na placa tubular.Os tubos do oxidante, isto é, ar, ar enriquecido oupreferivelmente oxigênio, estendem-se no comprimento além da placatubular, para que o oxidante seja liberado na atmosfera "rica" em combustível(o oposto é potencialmente perigoso).
A porção final dos tubos de oxidante é equipada comelementos de restrição adequados, tais como, por exemplo, ligas metálicas oucerâmica sinterizada, ou uma série de aberturas que têm dimensõesadequadas, de maneira a realizar divisão ao longo do eixo de saída daalimentação. A vantagem da dita saída dividida consiste no fato de que aformação de misturas é reduzida dentro das faixas de inflamabilidade. Asentradas do oxidante e combustível mostradas na figura 1 são apenasilustrativas, e não devem ser interpretadas como limitação da invenção; outrasentradas são possíveis, por exemplo, combustível por cima, havendo aindauma separação de oxidante/fase combustível dentro da misturadora e oposicionamento relativo das saídas (oxidante à jusante em relação aocombustível).
Conforme mostrado na figura 2, a corrente contendo oxigênio,na saída dos dutos relativos (1), escoa através de elementos adequados (2)capazes de dividir a carga em uma série de correntes que interceptam a fasede hidrocarbonetos (3) de acordo com trajetórias tanto perpendicular quantoparalelas, ou combinações vetoriais das mesmas. A rápida mistura dascorrentes impede a formação localizada de composições dentro da região deinflamabilidade.
O cruzamento das duas correntes facilita ainda mais a rápidamistura das fases.
Um esquema alternativo para a misturadora, mostrado nafigura 3, considera tubos de oxidante com diferentes comprimentos, demaneira a dividir ainda mais a liberação de oxigênio, com todas as vantagensdecorrentes.A figura 4 inclui elementos adequados, dentro do aparelho dafigura 2, capazes de parar possíveis retornos de chamas.
Em uma configuração adicional mostrada na figura 5, umelemento poroso (5) fica posicionado na saída da corrente de hidrocarbonetos;as saídas da corrente de oxidante também situam-se dentro do elementoporoso, possivelmente em várias alturas e à jusante da entrada da corrente dehidrocarbonetos.

Claims (7)

1. Dispositivo para misturar dois fluidos, inserido em umreator ou combinado com ele, caracterizado pelo fato de que consistesubstancialmente nas seguintes zonas:. uma primeira zona de alimentação equipada com meios parapermitir que um primeiro fluido, gasoso nas condições operacionais, entre emuma direção axial;. uma zona de distribuição subjacente contendo um feixe detubos paralelos ao eixo no interior do qual o dito fluido é distribuídouniformemente;. uma segunda zona de alimentação equipada com meios parapermitir que um segundo fluido entre na zona de distribuição contendo o feixede tubos paralelos e seja uniformemente distribuído fora dos ditos tubosparalelos;. uma zona de mistura separada da zona de distribuição poruma placa tubular que suporta os ditos tubos paralelos,a dita placa tubular tendo fendas ou aberturas a fim dedescarregar uniformemente o segundo fluido em uma direção axial na área demistura,e os ditos tubos paralelos estendendo-se além da dita placatubular na zona de mistura.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que a porção terminal dos tubos é equipada com meios paradividir a saída do fluido distribuída axialmente, radialmente e/outransversalmente na zona de mistura.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que os tubos que estendem-se além da placa tubular são dediferentes comprimentos.
4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que elementos adequados são posicionados na área de mistura,perto da placa tubular, a fim de parar qualquer possível retorno de chama.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que um elemento poroso fica posicionado na zona de mistura,imediatamente detrás da placa tubular, que estende-se além dos tubospropriamente ditos.
6. Aparelho para realizar oxidações catalíticas parciais dehidrocarbonetos, caracterizado pelo fato de que compreende o dispositivo demistura de acordo com pelo menos uma das reivindicações de 1 a 6, e em quecompreende também uma zona de reação (R), consistindo em um leitocatalítico, com uma seção constante ou crescente ao longo do eixo doaparelho.
7. Processo de oxidação catalítica parcial de combustíveisgasosos, selecionados de compostos de hidrocarbonetos, gás natural e/ouGLP, caracterizado pelo fato de que é realizado por meio de um sistemacatalítico adequado realizado com o aparelho como definido na reivindicação-6 e seguintes etapas:. pré-misturar e possivelmente aquecer os reagentesconsistindo nos ditos combustíveis e oxigênio ou ar, ou ar enriquecido comoxigênio, a temperaturas variando de 25 a 400 °C, possivelmente na presençade vapor e/ou CO2;. reagir os reagentes na zona catalítica, a temperaturas deentrada variando de 5 a 500 0C, a velocidades espaciais variando de 1.000 a-1.000.000 Nl reagentes/L catalisador χ h, atingindo temperaturas variando de-450 a 1.500 °C.
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