BRPI0621566B1 - Coordinate measuring machine - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA EXECUTAR UMA REAÇÃO ENDOTÉRMICA, REATOR PARA EXECUTAR O PROCESSO E SEU USO". A presente invenção refere-se a um processo para executar uma reação endotérmica em um reator contendo tubos de catalisador, os tubos de catalisador contendo um catalisador que promove a reação endotérmica. O documento DE-10229661-A descreve um processo para a desi-drogenação de alcanos, que é um exemplo de uma reação de equilíbrio endotérmica. Este documento descreve um processo no qual tubos contendo um catalisador são aquecidos por queimadores posicionados entre os tubos. Com o controle do calor produzido pelos queimadores, um perfil de temperatura desejada ao longo do comprimento dos tubos é considerado como sendo imposto para alcançar uma alta taxa contínua de seletividade e conversão. Entretanto, nenhuma descrição concreta é fornecida de quanto isto deve ser feito na prática. Adicionalmente, o uso de queimadores nas proximidades dos tubos de catalisador ocasiona o aquecimento irradiante dos tubos, o que pode dar origem a pontos quentes, exigindo material de tubo resistente à alta temperatura de alto custo e ocasionando a formação local de coque que irá necessitar de frequente regeneração do catalisador e que poderá ocasionar a obstrução dos tubos. Como um problema adicional associado com a alta temperatura local, podem ocorrer reações colaterais indesejadas adicionais. O objetivo da presente invenção é o de prover um processo para executar uma reação de equilíbrio endotérmica que produza um perfil de temperatura favorável ao longo dos tubos de reação, impedindo pontos quentes locais. O objetivo é alcançado, de acordo com a invenção, pelo fato de o processo compreender as etapas de pôr o catalisador contido nos tubos de catalisador em contato com um fluxo de alimentação que passa através dos canais de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, de pôr uma superfície externa dos tubos de catalisador em contato com um fluxo de um meio de aquecimento apresentando uma temperatura de aquecimento inicial e fluindo cossimultaneamente com o fluxo de alimentações pa- ra aquecer a superfície por convecção, de misturar pelo menos parte do meio de aquecimento depois de ter ficado em contato com os tubos de catalisador com um fluxo de meio de aquecimento forte apresentando uma temperatura inicial mais alta do que a temperatura de aquecimento inicial para formar o meio de aquecimento cossimultâneo apresentando a temperatura de aquecimento inicial.

Com o uso de aquecimento convectivo dos tubos em combinação com a recirculação parcial do meio de aquecimento, uma temperatura de aquecimento inicial pode ser garantida, a qual está abaixo de um nível máximo, de modo que materiais comuns e de custo mais baixo, tal como aço inoxidável, possam ser usados para os tubos. O presente processo permite o controle da taxa de fluxo e da temperatura de aquecimento inicial do meio de aquecimento independentemente, de modo que o perfil de temperatura ao longo dos tubos possa ser controlado com muita precisão. Além disso, a dita taxa de fluxo e a dita temperatura de aquecimento inicial em combinação com as dimensões do tubo podem ser escolhidas de tal modo que um perfil de temperatura axial ao longo dos tubos possa ser alcançado. O catalisador contido nos tubos de catalisador é posto em contato com um fluxo de alimentação que passa através dos tubos de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída. Com o percurso através dos tubos, a alimentação será convertida no produto desejado.

Preferivelmente, o fluxo de alimentação é submetido a uma queda de pressão crítica na extremidade de entrada de cada tubo. Isto impede diferentes taxas de fluxo de alimentação através de diferentes tubos. Taxas de fluxo mais baixas em alguns tubos irão ocasionar temperaturas mais altas nesses tubos, potencialmente até temperaturas altas indesejadas causando a degradação do catalisador e reações colaterais indesejadas nesses tubos. A formação de coque é uma destas reações colaterais indesejadas e irá adicionalmente diminuir a taxa de fluxo e finalmente ocasionar a obstrução desse tubo.

Catalisadores aplicáveis no processo, de acordo com a invenção, são essencialmente catalisadores particulados, que preferivelmente estão presentes como um estrato nos tubos. A seguir, será assumido que os tubos de reator correm verticalmente e os fluxos cossimultâneos de alimentações e o meio de aquecimento correm na direção ascendente a partir da parte inferior, indicada como fundo ou entrada, para a parte mais alta dos tubos, topo ou saída. Também é possível executar o processo da invenção com os ditos fluxos correndo cossimultâneos em uma direção descendente ou aplicar um reator no qual os tubos correm horizontalmente ou em um ângulo com o plano horizontal. A temperatura de aquecimento inicial do meio de aquecimento é consideravelmente mais alta do que a temperatura da alimentação que entra nos tubos de catalisador. A entalpia do meio de aquecimento será suficiente para compensar o calor consumido pela reação endotérmica da alimentação e para aquecer a mistura de alimentação/produto nos tubos. A diferença de temperatura entre o meio de aquecimento e os conteúdos dos tubos é a força de acionamento para esta troca de calor. Esta diferença irá diminuir ao longo dos tubos da entrada para a saída e de modo que a taxa de transferência de calor diminua da entrada para a saída. Uma vez que a quantidade restante de alimentação não-convertida irá também diminuir da entrada para a saída também é exigido menos calor de compensação. Preferivelmente, a taxa de fluxo e a temperatura inicial do meio de aquecimento são escolhidas de tal modo que a temperatura dos conteúdos do tubo diminuam ao longo do tubo do fundo para o topo e, mais preferivelmente, sejam escolhidas de tal modo que a dita temperatura continuamente aumente ao longo dos tubos. A taxa de fluxo e a temperatura inicial do meio de aquecimento serão escolhidas de tal modo que a temperatura das paredes do tubo e os conteúdos do tubo em sua extremidade de saída permaneçam abaixo de uma temperatura onde podem ocorrer a alimentação ou a decomposição do produto, a formação de coque e outras reações colaterais indesejadas.

No processo, de acordo com a invenção, a reação na entrada dos tubos irá correr em uma taxa elevada devido à presença da quantidade mais alta de alimentação não-convertida. A alta temperatura inicial do meio de aquecimento irá compensar o calor consumido e até mesmo elevar a temperatura dos conteúdos do tubo. Devido ao aquecimento contínuo adicional ao longo do comprimento do tubo, a reação estritamente segue a conversão de equilíbrio crescente, resultando na alta conversão da alimentação na extremidade de saída. A temperatura mais alta que o catalisador pode suportar, de fato, é o fator limitante principal em alcançar a total conversão. No presente processo, a parte principal da alimentação já é convertida em temperatura relativamente baixa e a seletividade da reação aparentou ser alta.

Também com uma escolha adequada da temperatura de aquecimento inicial e da taxa de fluxo, pode ser alcançada uma situação na qual a temperatura das paredes do tubo é aproximadamente constante sobre a maior parte de seu comprimento.

Preferivelmente, as alimentações são preaquecidas a uma temperatura mínima necessária para que o catalisador fique ativo antes de ser colocado em contato com o catalisador. Esta temperatura faz com que a reação comece a correr já em uma alta taxa na extremidade de entrada, a taxa sendo impulsionada pela distância para o equilíbrio na temperatura de controle e com menos risco de reações colaterais indesejadas do que em uma temperatura de entrada mais alta. Com o movimento ascendente, a temperatura da alimentação, gradualmente misturada com uma quantidade maior de produto formado, e do catalisador irá aumentar por meio da troca de calor com o meio de aquecimento, esta elevação de temperatura favorecendo a taxa de reação, mesmo na medida em que a reação foi considerada como seguindo a conversão de equilíbrio crescente com o aumento da temperatura, conferindo uma ótima conversão total.

Foi considerado que a eficiência de conversão do processo poderá ser até intensificada, quando os tubos de catalisador do fundo para o topo forem enchidos com camadas de pelo menos dois catalisadores diferentes, onde o catalisador mais próximo ao fundo é selecionado para sua atividade relativamente alta, enquanto uma resistência de temperatura relativamente mais baixa ou um nível relativamente baixo de outra propriedade de catalisador dependente da temperatura pode ser aceito, e o catalisador mais próximo do topo é selecionado para sua resistência de temperatura relativamente alta ou um nível relativamente alto de outra propriedade de catalisador dependente da temperatura, enquanto uma atividade relativamente inferior pode ser aceita. Se forem usadas mais de duas camadas de catalisador, a resistência de temperatura ou o nível de outra propriedade de catalisador dependente da temperatura das camadas irá aumentar do fundo para o topo, se for inevitável aceitar alguns decréscimos em sua atividade do fundo para o topo. Isto permite um ótimo uso do perfil de temperatura controlado ao longo dos tubos, obtendo a conversão mais alta possível e possivelmente também a seletividade. A relatividade é usada aqui com relação às camadas adjacentes. A faixa de temperatura controlada sobre os tubos permite a aplicação de catalisadores sensíveis ao calor no processo de acordo com a invenção. Em toda a parte, o processo, de acordo com a invenção, protege a alta atividade catalítica por um longo período.

Para aperfeiçoar a seletividade de conversão e o ciclo vital do catalisador, o fluxo de alimentação pode ser diluído com um gás inerte, por exemplo, com dióxido de carbono, nitrogênio ou vapor, o vapor sendo o preferido. Se diluído, a taxa de diluição irá depender da reação executada nos tubos e, na prática, irá variar de 0,1 ou 2 a 12 rnols de gás inerte por alimentação de mol.

Também é possível acrescentar de 0,01 a 1 mol de H2 por mol por alimentação de mol em vez de um gás inerte, por exemplo, quando o catalisador usado não for compatível com os gases inertes. O meio de aquecimento, que flui ao longo dos tubos, irá transferir calor para as paredes dos tubos, que, por sua vez, irão transferir o calor para o catalisador e a alimentação. Quando este fluxo de meio de aquecimento alcançar 0 topo dos tubos, ele terá sido resfriado da temperatura de aquecimento inicial para uma temperatura mais baixa. Conforme descrito posteriormente, parte da energia de calor ainda presente no meio poderá ser usada para gerar vapor ou para outras finalidades de integração de calor do processo, 0 que irá resfriar 0 meio ainda mais. Pelo menos parte do meio resfriado será recirculada para controlar a temperatura de aquecimento inicial do meio de aquecimento. Isto pode ser feito com a mistura do meio de aquecimento recém-gerado, por exemplo, gás de combustão de um queimador ou vapor forte. Este meio forte terá geralmente uma temperatura mais alta do que a temperatura de aquecimento inicial. Com a mistura do mesmo com uma quantidade controlada do meio de aquecimento, que foi resfriado por ter sido posto em contato com os tubos de catalisador, e opcionalmente também por meio de uma troca de calor adicional, por exemplo, para gerar vapor, o meio de calor cossimultâneo forte é formado apresentando a temperatura de aquecimento inicial desejada.

Outra maneira de se alcançar a temperatura de aquecimento inicial desejada, aplicável quando o meio de aquecimento forte for gerado por um queimador, é a de aplicar o meio de aquecimento resfriado recircula-do através do queimador para misturá-lo com o gás de combustão imediatamente quando ele for gerado pela combustão. O meio de aquecimento forte pode ser vapor, mas preferivelmente o meio de aquecimento forte consiste em gases de combustão provenientes de um queimador, por exemplo, um queimador de gás ou óleo. A quantidade de gases de combustão produzida por tal queimador pode ser facilmente controlada, o que permite a versatilidade na relação de meio de aquecimento forte - meio de aquecimento resfriado recirculado a fim de obter o meio de aquecimento com a temperatura de aquecimento inicial desejada e a taxa de fluxo para o contato com os tubos de catalisador novamente. O processo, de acordo com a invenção, permite manter a temperatura ao longo de todo o comprimento dos tubos entre uma temperatura máxima onde podem ocorrer a degradação do catalisador e reações colaterais indesejadas e uma temperatura mínima exigida para que a reação corra em uma velocidade aceitável.

No processo, de acordo com a invenção, a quantidade de gases quentes do queimador e a quantidade de meio de aquecimento consumido recirculado mais frio podem ser independentemente controladas. Isto ocasiona uma grande versatilidade tanto na taxa de fluxo como na temperatura inicial do meio de aquecimento independentemente, permitindo o controle do perfil de troca de calor ao longo do comprimento dos tubos de catalisador sobre uma ampla faixa. No processo conhecido, a relação entre gás combustível e ar de combustão é o único parâmetro de controle. Isto permite apenas a variação limitada na taxa de fluxo e na temperatura, uma vez que a variação na quantidade de ar é restringida pela quantidade mínima de oxigênio exigida para queimar o gás combustível.

No processo, de acordo com a invenção, nenhum aquecimento irradiante dos tubos de catalisador pelo queimador será permitido pelo posicionamento adequado dos queimadores com relação aos tubos de catalisador, pelo posicionamento de proteções entre as chamas do queimador e os tubos de catalisador, pelo isolamento dos tubos de catalisador nos pontos expostos à radiação, ou por combinações destas medidas. O aquecimento dos tubos de catalisador ocorre então através do aquecimento convectivo apenas.

Os tubos no reator podem ser tubos reformadores convencionais, conforme conhecido a partir do documento DE-A-10229661. Tais tubos podem ser aplicados como tubos de catalisador no processo, de acordo com a invenção, impedindo o aquecimento irradiante e seus problemas associados. Entretanto, eles apresentam um sério intercâmbio no volume do catalisador e nas propriedades de transferência. Para impedir gradientes de temperatura radiais indesejados, seu diâmetro deve ser relativamente pequeno. Isto irá exigir um grande número de tubos para se obter um volume de catalisador desejado. Também, a substituição do catalisador é um processo en-tediante.

Estes e outros problemas associados com os reatores tubulares conhecidos foram considerados como sendo solucionados em uma concretização preferida do processo, de acordo com a invenção, com a aplicação de um reator de painel, conforme descrito abaixo. O processo, de acordo com a invenção, é adequado para executar reações endotérmicas. Exemplos deste tipo de reação que podem ser executados com resultados favoráveis com este processo incluem as rea- ções de equilíbrio endotérmicas, por exemplo, desidrogenações de alcanos C2 - Ce a olefinas (por exemplo, etileno, propileno e isobutileno), desidrogenações de misturas de alcanos C2 - Ce e olefinas a diolefinas (por exemplo, butadieno e isopreno), desidrogenação de etilbenzeno a estireno e desidrogenações não-oxidativas de álcoois a aldeídos (por exemplo, metanol a for-maldeído e etanol a acetaldeído) e desidratações de ácidos carboxílicos C2 a Cs a seus anidridos intramoleculares, e reações irreversíveis, por exemplo, craqueamento catalítico de teor mais alto de olefina a teor mais baixo de ole-fina.

Uma reação que provou ser muito adequada para ser executada com o processo, de acordo com a invenção, é a reação de desidrogenação de um hidrocarboneto, com uma ou mais ligações de carbono saturado, em particular, um alcano C2-C8, como etano, propano, (iso)butano, (iso)pentano, hexano, heptano e octano, e etilbenzeno. Estas reações correm com uma conversão mais alta em altas temperaturas de reação. A temperatura de reação máxima permissível é limitada pelo catalisador que pode ser decomposto ou perder sua atividade em alta temperatura. Na prática, são aplicadas temperaturas de cerca de 500 a 750°C, se beneficiando, portanto, mais do suprimento de calor contínuo pelo meio de aquecimento ao longo de todo o comprimento dos tubos de reação. Temperaturas mais altas poderão ser usadas, quando os catalisadores disponíveis assim 0 permitirem. A execução do processo, de acordo com a invenção, impõe exigências específicas ao reator. Desse modo, a invenção adicionalmente refere-se a um reator para executar um processo de reação de equilíbrio endo-térmica, compreendendo uma seção de provisão de calor contendo um meio de provisão de calor, a seção de provisão de calor se comunicando com uma extremidade de entrada de uma seção de reator, a seção de reator contendo tubos de catalisador e apresentando uma extremidade de saída se comunicando com uma seção de espaço de cabeça, os tubos de catalisador sendo protegidos da radiação de calor pelo meio de geração de calor, o reator adicionalmente compreendendo uma seção de recirculação que conecta a seção de espaço de cabeça à seção de provisão de calor. O reator compreende uma seção de provisão de calor. Nesta seção, é preparado o fluxo de meio de aquecimento para suprir o calor exigido para os tubos de catalisador. O meio de provisão de calor pode compreender um ou mais queimadores para gerar gás de combustão. Estes meios podem também ser uma entrada para vapor de temperatura adequada. Adicionalmente, esta seção contém, como conexão à seção de recircula-ção, uma entrada para o meio de aquecimento consumido recirculado. A entrada de meio de aquecimento recirculado pode ser conectada com a seção de provisão de calor em uma posição a jusante a partir do queimador ou entrada de vapor. Ela pode ser também conectada tão próxima ao queimador de modo que o meio de aquecimento se misture imediatamente com o gás de combustão forte. A seção de provisão de calor se comunica com uma extremidade de entrada de uma seção de reator descendente. A comunicação aqui indica que há uma conexão aberta para o fluxo de meio de aquecimento. Ao mesmo tempo, os tubos de catalisador são protegidos do aquecimento irradiante pelo meio de geração de calor. O aquecimento irradiante dos tubos de catalisador pode produzir pontos quentes locais que devem ser evitados. Para se alcançar esta proteção, pode ser provido um caminho opticamente fechado das chamas do queimador para os tubos de catalisador. Para esta finalidade, a seção de provisão de calor e a seção de reator podem ser posicionadas sob um certo ângulo, preferivelmente por uma curva de 90°, ou podem ser providos defletores entre a seção de provisão de calor e de reator, deixando um caminho para o meio de aquecimento, mas bloqueando qualquer caminho ótico direto para o tubo de catalisador para radiação dos queimadores. Outro caminho para impedir o aquecimento irradiante dos tubos de catalisador é termicamente isolando essas partes dos tubos de catalisador que estão viradas para as chamas do queimador. O reator adicionalmente compreende uma seção de reação. Esta seção de reação contém tubos de reator a serem enchidos com partículas de catalisador que podem promover a reação endotérmica a ser conduzida no reator. Os tubos de reator geralmente correm paralelos a um eixo de comprimento do reator e, em geral, também em uma direção substancialmente vertical.

Um conceito conhecido para tais tubos de reator é o reator multitubular conhecido, que compreende um feixe de tubos paralelos. Cada tubo é individualmente conectado a uma linha de alimentação que provê um fluxo de alimentação referente a uma linha de produto para remover o produto formado do reator para processamento adicional. A seção de reação pode adicionalmente compreender um meio para criar um padrão de fluxo desejado do meio de aquecimento ao longo dos tubos de catalisador, por exemplo, na forma de defletores. O reator, de acordo com a invenção, apresenta uma extremidade de entrada, conectada e se comunicando com a seção de geração de calor, através da qual o meio de aquecimento pode entrar na seção de reação para aquecimento dos tubos de catalisador. A seção de reator apresenta também uma extremidade de saída posicionada oposta à extremidade de entrada além e aqq montante dos tubos de catalisador que conectam a seção de reator a uma seção de espaço de cabeça. A seção de espaço de cabeça é projetada para coletar o meio de aquecimento consumido, isto é, o meio de aquecimento depois de ter passado e deixado a seção de reator. Ele pode conter o equipamento de troca de calor para adicionalmente desviar o calor do meio de aquecimento consumido, por exemplo, para gerar vapor ou para preaquecer a alimentação. A seção de espaço de cabeça apresenta pelo menos uma conexão a uma seção de recirculação. Esta seção de recirculação conecta a seção de espaço de cabeça à seção de provisão de calor. Ela pode compreender um meio para controlar a quantidade e a temperatura do meio de aquecimento consumido a ser suprido a uma entrada da seção de aquecimento. A seção de espaço de cabeça pode adicionalmente compreender uma saída para o meio de aquecimento consumido que não é recircula-do para a seção de aquecimento do reator. Esta saída pode ser conectada ao equipamento para adicionalmente se beneficiar da energia térmica que ainda permanece no meio de aquecimento consumido.

Preferivelmente, o meio de provisão de calor é pelo menos um queimador. A temperatura do meio de aquecimento de gás de combustão é controlada então ou pela mistura do gás de combustão com o meio de aquecimento consumido recirculado do resfriador ou pela alimentação do meio de aquecimento consumido recirculado em tal proximidade da chama do queimador que o gás de combustão será diluído e resfriado imediatamente. No último caso, também o conteúdo de NOx do meio de aquecimento de gás de combustão poderá ser reduzido. A relação de meio de aquecimento recirculado - gás de combustão forte será escolhida para se obter o meio de aquecimento apresentando a temperatura e a taxa de fluxo desejadas. Na prática, as relações de 90% 10% a 10% - 90% serão aplicadas. O reator irá adicionalmente compreender meios para distribuir a alimentação para os tubos de catalisador e para coletar o produto formado proveniente dos tubos. Ele poderá também compreender um meio para uniformemente distribuir o meio de aquecimento sobre os tubos de reator para impedir regiões quentes ou frias locais no reator. O reator irá também compreender um meio para suprir um fluxo de alimentação para os tubos de reação, conectados a uma linha de alimentação externa, e um meio para conduzir um fluxo de produto formado por alimentação misto proveniente dos tubos de reação, conectados a uma linha de produto.

Em uma concretização preferida, a linha de produto e a linha de alimentação são conectadas a um trocador de calor para a troca de calor entre o fluxo de alimentação e o fluxo de produto de temperatura mais alta. Esta construção tem a vantagem de que a temperatura do fluxo de alimentação irá permanecer em uma faixa segura impedindo a formação de coque e outras reações colaterais indesejadas.

Preferivelmente, o reator, de acordo com a invenção, compreende painéis de reator que compreendem canais que funcionam como tubos de catalisador.

Neste caso, o reator adicionalmente compreende uma linha de alimentação e uma linha de produto e a seção de reator contém painéis de reator, cada painel de reator compreendendo um coletor de alimentação, um coletor de produto e canais adjacentes, cada canal apresentando um comprimento, que corre de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, e no qual as extremidades de entrada são diretamente conectadas ao coletor de alimentação e abertas para o mesmo e as extremidades de saída são diretamente conectadas ao coletor de produto e abertas para o mesmo, e no qual o coletor de alimentação apresenta pelo menos uma conexão a uma linha de alimentação e o coletor de produto apresenta pelo menos uma conexão a uma linha de produto e no qual parte de pelo menos um dos coletores, o coletor de alimentação ou o coletor de produto, é des-prendível dando acesso às extremidades do canal.

Os painéis no reator serão posicionados entre a extremidade de entrada e a extremidade de saída da seção de reação do reator e podem ser separadamente e facilmente trocados, os painéis permitindo uma grande versatilidade em dimensões e conferindo uma grande flexibilidade na aplicação de meios de aquecimento para obter perfis de temperatura desejados ao longo de tubos de catalisador.

Em vez de um feixe de tubos únicos como no reator multitubular conhecido, o volume de reação exigido poderá ser construído a partir de inúmeros painéis de reator, cada qual apresentando uma entrada de alimentação e uma saída de alimentação para inúmeros canais em vez de para cada tubo único e sendo mais fácil de manipular, manter e substituir o catalisador. O volume de reação crescente não exige a conexão de cada vez mais tubos únicos às linhas de alimentação e de produto, mas pode ser simplesmente alcançado com o acréscimo de mais painéis ou de painéis de outro tipo.

Os canais de reator são manualmente conectados. Desse modo, eles formam uma unidade apresentando uma maior rigidez contra a curvatura que permite que um painel fique pendurado no reator, apenas sustentado em uma extremidade superior.

As extremidades de entrada dos canais são diretamente conec- tadas ao coletor de alimentação e diretamente abertas para o mesmo, o que deve ser entendido que há uma conexão aberta através da qual os reagen-tes do coletor de alimentação podem entrar nos canais, a extremidade de entrada do canal sendo visível a partir de dentro do coletor. Deve ser entendido diretamente, portanto, como não contendo nenhum elemento de construção intermediário como tubo sifão, foles, tubos e similares, mas apenas um meio de conexão direta como flanges cavilhados e soldas.

Preferivelmente, a extremidade de entrada de cada tubo de catalisador é provida com um meio de restrição de fluxo adequado para impor uma queda de pressão quase crítica em um fluxo de alimentação que entra no tubo. Isto irá assegurar uma taxa de fluxo de alimentação constante aos canais, mesmo quando os canais não tiverem exatamente a mesma queda de pressão. A diferença na queda de pressão pode ocorrer devido a diferenças no enchimento ou acondicionamento de catalisador dentro de faixas consideráveis, podendo também ocorrer durante a operação por formação de coque. A queda de pressão quase crítica é definida como a queda de pressão que faz com que a velocidade de fluxo seja pelo menos 50%, preferivelmente pelo menos 70, mais preferivelmente pelo menos 80% da velocidade de fluxo crítica. O reator adicionalmente pode conter um meio de blindagem para impedir a exposição direta dos painéis às paredes do reator que pode causar diferenças de temperatura entre os painéis mais próximos às paredes e a outros painéis. Estes meios de blindagem podem então ter a temperatura controlada separadamente dos outros painéis. Um exemplo de tal meio de blindagem são painéis como aqueles contendo o catalisador, mas não contendo o catalisador e sendo resfriado internamente.

Detalhes adicionais, especificações, concretizações alternativas e preferidas e vantagens dos painéis com meio para prover os canais de catalisador são descritos na publicação baseada no documento de prioridade do Pedido EP copendente de N° 07013192.5, os conteúdos dos quais são incorporados aqui para referência.

Pelo menos um dos coletores, o coletor de alimentação ou o co- letor de produto, é desprendível como um todo ou parcialmente, dando assim acesso às extremidades do canal.

Um coletor parcialmente desprendível pode compreender uma abertura travada por uma peça desprendível. A peça pode ser articulada a uma borda de coletor que pode ser trazida para uma posição aberta ou pode ser uma peça solta que pode ser conectada à abertura e retirada da mesma. A peça tem que ser estanque a gás e líquido conectável ao coletor e preferivelmente também facilmente removível. A conexão pode ser estabelecida pelo cavilhamento da peça desprendível para o coletor, mas a peça pode também ser soldada ao coletor e aterrada ao longo da linha de solda para desprender a peça.

Depois de desprender a peça desprendível, a abertura dá acesso às extremidades do canal. Isto permite o fácil esvaziamento, a limpeza e o reenchimento dos canais. Preferivelmente, tal abertura está presente tanto no coletor de alimentação como no coletor de produto. Isto permite o esvaziamento dos canais através de um coletor, o posicionamento do painel, de tal modo que este coletor fique em uma posição mais baixa do que o outro coletor, e o reenchimento dos canais a partir de cima através do outro coletor, mantendo os painéis na mesma posição. A abertura pode estar presente em uma parede de coletor virada para as extremidades dos canais ou em uma parede normal à direção de comprimento dos canais. A concretização anterior destes dois é preferida como conferindo o acesso mais fácil.

Os canais preferivelmente são dispostos no máximo em duas fileiras, cada fileira definindo um plano achatado ou curvo, os planos correndo substancialmente paralelos. Desse modo, os painéis permanecem finos em uma primeira dimensão e proveem uma área grande para troca de calor com relação a seu volume. Preferivelmente, os canais são dispostos em uma fileira reta ou curvada para se adaptarem à forma do alojamento de reator no qual serão colocados os painéis. Os coletores de alimentação e de produto seguem então a forma da fileira de canal. Desse modo, os painéis são achatados e, quando dispostos em paralelo em uma distância adequada no reator, os canais podem ser facilmente acessados por um meio de aquecimento que flui no espaço entre os painéis, permitindo o preciso controle de temperatura dos canais sobre seus comprimentos. O painel pode ser construído de forma simples e econômica, por exemplo, a partir de elementos básicos como tubos, placas dobradas, ajustes, folhas e técnicas de construção comumente conhecidas como solda-gem, juntas de cavilha e outros.

Preferivelmente, o reator, de acordo com a invenção, contém painéis de reator, o painel de reator sendo composto de uma primeira e uma segunda placas paralelas, limitadas por um primeiro par de bordas externas substancialmente paralelas e um segundo par de bordas externas que conectam as bordas do primeiro par, no qual pelo menos a primeira placa compreende a alternância de tiras de conexão chatas e rebaixos de canal apresentando uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída, as tiras e os rebaixos correndo normais ao primeiro par de bordas, no qual as placas são ligadas entre si pelo menos ao longo do segundo par de bordas externas e as tiras de conexão, combinando os rebaixos de canal da primeira placa e a parte virada da segunda placa nos canais, o painel adicionalmente compreendendo um coletor de alimentação, um coletor de produto e canais adjacentes, cada canal apresentando um comprimento, que corre de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, e no qual as extremidades de entrada são diretamente conectadas ao coletor de alimentação e abertas para o mesmo e as extremidades de saída são diretamente conectadas para o coletor de produto e abertas para o mesmo e no qual o coletor de alimentação apresenta pelo menos uma conexão a uma linha de alimentação e o coletor de produto apresenta pelo menos uma conexão a uma linha de produto e no qual parte de pelo menos um coletor, o coletor de alimentação ou o coletor de produto, é desprendível, dando acesso às extremidades do canal.

Os canais estão presentes como uma combinação de um rebaixo de canal de uma placa e a parte oposta da outra placa. Esta parte pode ser um rebaixo de canal, uma tira achatada ou outra parte achatada dessa outra placa.

Os canais se destinam a serem enchidos com partículas de catalisador de tal modo que espaços vazios que correm ao longo de todo o comprimento do canal sejam impedidos tanto quanto possível. Desse modo, o fluido que entra os canais na extremidade de entrada é impedido de alcançar a extremidade de saída sem ter estado suficientemente em contato com o catalisador e permanecendo não-reagido. Embora a seção transversal dos canais possa ter qualquer forma, pela razão acima, a seção transversal dos canais preferivelmente tem uma forma lisa e regular sem ângulos agudos. Exemplos de tais formas são as formas circulares, elípticas ou poligonais com bordas arredondadas.

Os elementos de construção que formam os painéis devem consistir de materiais que se casam com a reação e processam condições e componentes aos quais eles ficarão expostos. Materiais conhecidos para uso sob condições de reação química são o metal, ligas de metal e materiais de cerâmica. Também é conhecido na técnica aplicar camadas de revestimento protetor. Aquele versado na técnica será capaz de selecionar os materiais adequados em vista do uso pretendido. Preferivelmente, o material mostra uma condutividade de calor suficiente.

As dimensões dos painéis são principalmente determinadas pelo comprimento e pelo número dos canais. Estes valores podem variar amplamente, dependendo do tipo de reação, da capacidade de produção, do tamanho e do tipo de catalisador para o qual se destina. Uma vez que uma grande vantagem do painel está no caráter modular, cada painel pode ter um tamanho consideravelmente menor do que um feixe multitubular de tubos únicos necessário em um reator para a mesma reação e apresentando a mesma capacidade de produção como uma grande quantidade correspondente de painéis. A área da seção transversal dos canais irá depender do tipo de catalisador e reação. Quanto mais endotérmica a reação corre, menor esta área terá que ser para impedir um perfil de reação não-homogêneo, em particular, grandes gradientes de temperatura radial, no estrato do catalisador e para assegurar o transporte suficiente de calor do estrato de catalisador para ou das paredes do canal. Na prática, a dita área ficará entre 5 e 300 cm2. Preferivelmente, a área é menor do que 200,100 ou mesmo 50 cm2.

Mais crítica do que a área dos canais é a menor dimensão linear de uma seção transversal dos canais. Preferivelmente, a mais curta distância linear de qualquer ponto da área de seção transversal do canal para a parede do canal é no máximo de 3,5 cm. Mais preferivelmente, esta distância é no máximo de 2,5 cm. A forma dos canais pode ser circular, elipsoidal ou outras formas lisas e regulares sem cantos agudos.

Os canais não têm que ter uma forma demasiadamente achatada a fim de permitir o fluxo desejado dentro da mesma. Para esta finalidade, como uma regra prática, a mais longa de todas as distâncias lineares mais curtas deve preferivelmente ser pelo menos de 1 cm, quando um catalisador sólido for usado, e pelo menos de 2 mm, quando um catalisador gasoso for usado. O comprimento dos canais pode variar dentro de amplos limites, o comprimento superior sendo potencialmente restringido pela queda de pressão sobre o comprimento do canal. Esta queda de pressão pode também depender do tipo e da densidade do estrato de catalisador. Comprimentos adequados irão variar de 0,5 a 10 metros. A espessura da parede dos canais, esta espessura sendo a espessura das placas no caso de o painel ser construído de duas placas paralelas, será suficiente para suportar forças mecânicas exercidas sobre o mesmo, por exemplo, pelas diferenças de pressão, gravidade ou atividades de montagem. No limite superior, a espessura será praticamente limitada para painéis, de acordo com a invenção, compostos de duas placas paralelas pela exigência de que as placas possam ser formadas por técnicas comuns. A espessura prática pode variar de 0,5 a 5 mm.

Correspondentemente, a dimensão do painel será determinada pela soma das dimensões das partes de composição. Como um exemplo, esta dimensão na direção do comprimento dos canais será pelo menos igual ao comprimento dos canais mais a altura dos coletores de alimentação e de produto nessa direção. Também, a espessura do painel que é sua dimensão normal à direção do comprimento dos canais será pelo menos igual ao diâmetro do canal nessa direção mais a espessura de parede do canal e a espessura de quaisquer folhas na superfície externa.

Este painel pode ser construído de maneira fácil e com alta versatilidade pelas técnicas conhecidas, por exemplo, para a fabricação de painéis de radiador de aquecimento central ou na indústria automotiva. A formação de placas de metal na forma e no perfil desejados, por exemplo, por prensagem a quente, permite produzir placas apresentando padrões de forma e perfil complexos. Em outro processo adequado para construir este painel, conhecido como prensagem hidráulica a frio, duas placas chatas são soldadas entre si na posição das bordas e em todas as outras posições onde as placas serão conectadas no painel a ser formado e aplicando pressão hidráulica entre as duas placas a fim de inflar as partes não-soldadas para os canais e coletores exigidos.

Detalhes adicionais, especificações, concretizações alternativas e preferidas e vantagens destes painéis como meio para prover os canais de catalisador são também descritos na publicação baseada no documento de prioridade do pedido EP copendente No. 07013192.5, os conteúdos do qual são aqui incorporados para referência.

Também o reator, de acordo com a invenção, oferece uma grande versatilidade com relação às propriedades de troca de calor. As relativas posição e distância dos painéis podem ser livremente escolhidas permitindo criar um fluxo de troca de calor idealizado e efetivo entre os painéis e o meio de aquecimento. Desse modo, o reator, de acordo com a invenção, tem a vantagem de que nenhuma defletor é exigida para criar um padrão de fluxo de meio de aquecimento desejado na seção de reação ao longo dos painéis. Como uma vantagem adicional do reator, de acordo com a invenção, no caso de obstrução dos canais, vazamento e outros incidentes, apenas o painel envolvido tem que ser removido do reator e substituído ou simplesmente eliminado antes de a produção poder ser resumida. O reparo ou a substituição do catalisador pode ser feita por painel fora de linha enquanto a produ- ção é continuada. No reator conhecido que compreende um feixe de tubos únicos, a produção é paralisada até que o reparo ou a substituição do catalisador seja terminada. A fim de permitir a fácil remoção dos painéis, a parte do reator acima da seção de reação preferivelmente é, pelo menos parcialmente, des-prendível.

Preferivelmente, a conexão do painel à linha de alimentação é flexível no sentido de que as diferenças na expansão térmica entre os painéis e a conexão à linha de alimentação podem ser absorvidas, minimizando assim as tensões. Elementos construtivos para se alcançar esta flexibilidade são conhecidos na técnica e, como exemplo, pode ser mencionado que a linha de alimentação contém uma peça de tubo na forma de rabo de porco ou uma peça de conexão na forma de fole.

Os painéis serão geralmente posicionados verticalmente no reator. Os canais correm então substancialmente na vertical e os coletores irão correr essencialmente na horizontal. Os painéis serão, em geral, dispostos em paralelo em uma distância entre si. Essa distância pode depender do regime de fluxo de meio de aquecimento idealizado para a transferência de calor exigida e pode variar entre 1 mm e 3 cm. Distâncias maiores são possíveis, mas provaram ser menos eficientes para a troca de calor e também exigem um fluxo de meio de aquecimento maior. A distância entre os painéis indicada aqui é a distância normal mais curta entre dois painéis paralelos adjacentes, medida entre o canal de um painel à parte oposta, canal ou tira, do painel adjacente.

Os painéis podem ser montados dentro do reator sustentado por elementos construtivos do alojamento de reator, mas não fixados aos mesmos. O alojamento do reator é o total do elemento construtivo que blinda o volume de reator interno do ambiente e terá as propriedades normal e conhecida de um alojamento de reator adaptadas para se casarem com as condições de controle de reação e de troca de calor. Em particular, o alojamento compreende pelo menos a seção de geração de calor, a seção de reator e a seção de espaço de cabeça.

Preferivelmente, os painéis poderão se mover com relação ao alojamento, quando da retração ou da expansão. Isto impede a ocorrência de tensões térmicas entre os painéis e o alojamento.

Preferivelmente, os painéis são pendurados apenas sustentados em sua extremidade maior. Isto permite a expansão térmica ou a retração dos painéis, apenas causando tensões mínimas que prolongam a vida operacional e a confiabilidade dos painéis, e, portanto, do reator como um todo. A invenção adicionalmente refere-se ao uso do reator, de acordo m a invenção, para conduzir o processo de acordo com a invenção.

Em particular, a invenção refere-se ao uso do reator, de acordo com a invenção, compreendendo painéis de reator da construção descrita para a reação de desidrogenação de um hidrocarboneto saturado ou etilben-zeno, em particular, de alcanos C2 - C8. A invenção será adicionalmente explicada pelos seguintes desenhos. Nestes desenhos: a Figura 1 é uma seção transversal de uma primeira concretização do reator, de acordo com a invenção, contendo tubos, como tubos de reator; a Figura 2 é uma seção transversal de uma segunda concretização do reator, de acordo com a invenção, contendo painéis de reator; a Figura 3 é uma seção transversal de uma terceira concretização do reator, de acordo com a invenção contendo painéis de reator; a Figura 4 é um gráfico que mostra os perfis de temperatura do meio de aquecimento, parede e fluxo de alimentação/produto ao longo do comprimento do reator; e a Figura 5 é um gráfico que mostra a linha de conversão de equilíbrio e a linha de conversão efetiva em um tubo de catalisador no reator, de acordo com a invenção.

Nas Figuras 1, 2 e 3, é mostrado um reator apresentando parede de reator 4. O reator compreende uma seção de provisão de calor 6, uma extremidade de entrada 8 para a seção de reação 10, uma extremidade de saída 12 da seção de reação 10, uma seção de espaço de cabeça 14 e uma seção de recirculação 16, compreendendo dutos 18 e 20 e o compressor 22.

Na Figura 1, a seção de reação 10 contém tubos de reator 24, na extremidade de entrada da seção de reação conectada à linha de alimentação 26 e em sua extremidade oposta à linha de produção 28.

Nas Figuras 1, 2 e 3, a seção de provisão de calor 6 é posicionada sob um ângulo de 90° com relação à seção de reação 10. Esta construção protege os tubos de reator da radiação de calor gerada pelo meio de geração de calor 30. O meio de geração de calor 30, nesta concretização, é um queimador conectado a uma entrada de combustível 32 e a uma entrada de ar de combustão 34. A seção de espaço de cabeça 14 é conectada à saída de meio de aquecimento usada 36 que leva a uma seção de recuperação de calor externa (não mostrada). Ela também é conectada ao duto 18 da seção de recirculação 16, que, por sua vez, é conectado ao compressor 22. A saída do compressor 22 é conectada pelo duto 20 à seção de geração de calor 6, onde o meio recirculado será misturado com o meio de aquecimento forte produzido.

Na Figura 2, o item 40 é um painel de reator, visto a partir de um lado frontal, que é livremente pendurado na seção de reação 10 com seu coletor de produto 44 se apoiando nas protuberâncias de suporte 46, fixadas à parede de reator 4. O coletor de alimentação 48 é conectado à linha de alimentação 26 e ao coletor de produto 44 é conectado à linha de produto 28. O painel 40 compreende canais de catalisador 50. O duto 20 é introduzido na seção de geração de calor 6 através do fundo do queimador 30, permitindo assim a mistura do meio de aquecimento usado recirculado com o meio de aquecimento forte imediatamente quando da geração deste último. Números não mencionados têm especificamente o mesmo significado que na Figura 1.

Na Figura 3, a seção de geração de calor 6 é posicionada verticalmente abaixo da seção de reação 10. Na seção de reação 10, estão posicionados inúmeros painéis de reator 40, vistos à parte. A parte inferior dos coletores de alimentação 48 dos painéis de reator 40 é revestida com cama- das 52 do material isolante de calor para proteger as partes dos painéis viradas para o queimador 30 da radiação de calor desse queimador 30, aqui, uma disposição de pequenos queimadores. Números especificamente não mencionados têm o mesmo significado que na Figura 1. A Figura 4, na qual o eixo X indica o relativo comprimento do reator da extremidade de entrada (0) para a extremidade de saída (1) e o eixo Y indica a temperatura em °C, mostra três perfis de temperatura da extremidade de entrada para a extremidade de saída da zona de reação em um reator, conforme descrito na Figura 3, onde a reação de desidrogenação catalisada de propano a propileno é conduzida sob as condições, conforme descrito no Exemplo 1. A linha 70 mostra o perfil de temperatura do meio de aquecimento, à medida que ele flui do lado de entrada da seção de reação para o lado de saída da mesma, sendo resfriado à medida que ele transfere calor para os canais de catalisador. A linha 72 mostra o perfil de temperatura correspondente para a parede dos canais de catalisador que absorvem o calor do meio de aquecimento que flui ao longo dos mesmos. A curva 72 mostra a elevação de temperatura que resulta da absorção de calor do meio de aquecimento e da transferência de calor para o fluxo de alimentação/produto nos tubos de catalisador. A linha 74 mostra o perfil de temperatura correspondente para os conteúdos de alimentação/tubos, resultante do calor transferido pela parede dos canais de catalisador e do calor consumido pela reação endotérmica nos canais de catalisador. A temperatura de parede mostra uma variação muito moderada sobre o comprimento do tubo que impede a tensão térmica e mecânica na construção do reator e impede pontos quentes locais.

Na Figura 5, na qual o eixo X indica a temperatura em °C e o eixo Y indica a conversão, a linha 76 é a linha de conversão de equilíbrio da reação de desidrogenação de propano a propileno. A linha 78 mostra a conversão efetiva ao longo do comprimento dos canais de catalisador da extremidade de entrada para a extremidade de saída da seção de reação como uma função da temperatura crescente de fluxo de alimentação/conversão (conforme a linha 74 da Figura 4). No primeiro quarto da faixa de temperatura, a conversão é principalmente acionada pela grande quantidade de alimentação não-convertida presente, e, no último quarto, a temperatura mais alta é a força de acionamento principal. Como um resultado total, é alcançada quase a conversão de equilíbrio na temperatura mais alta. A conversão máxima é restringida pela temperatura máxima permissível em vista da de-generação de catalisador ou da ocorrência de reações colaterais indeseja-das. A invenção será explicada pelos seguintes exemplos, sem ser restringida aos mesmos.

Exemplo 1: Desidroqenacão de propano Em um reator, conforme mostrado na Figura 3, onde os canais de catalisador dos painéis de reator são enchidos com um Pt/Sn em condutor de alumina como catalisador, o propano é desidrogenado em propileno.

Uma mistura de vapor e propano (relação de vapor-propano de 3,5 mol/mol) apresentando uma temperatura de 550°C e uma pressão de 0,25 MPa é suprida aos coletores de alimentação dos painéis de reator em LHSV de 1,5 m3 propano/m3 cat h. Depois de passar através dos tubos de catalisador, a mistura efluente de alimentação/produto apresenta uma temperatura de 630 graus e uma pressão de 0,15 MPa. O meio de aquecimento é suprido à extremidade de entrada da seção de reação com uma temperatura de 1000°C. Depois de passar a seção de reação, o meio de aquecimento usado apresenta uma temperatura de 715°C. A temperatura da parede dos canais de catalisador na extremidade de entrada é de 565°C, na extremidade de saída 635°C. A conversão de propano perfaz 72% e a seletividade na direção de propileno perfaz 89%.

REIVINDICAÇÕES

Claims (11)

1. Processo para executar uma reação endotérmica em um reator contendo tubos de catalisador, os tubos de catalisador contendo um catalisador que promove a reação endotérmica, o processo caracterizado por compreender as etapas de: a. pôr o catalisador contido nos tubos de catalisador em contato com um fluxo de alimentação que passa através dos canais de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, b. pôr uma superfície externa dos tubos de catalisador em contato com um fluxo de um meio de aquecimento apresentando uma temperatura de aquecimento inicial e fluindo cossimultaneamente com o fluxo de alimentações para aquecer a superfície por convecção, c. misturar pelo menos parte do meio de aquecimento depois de ter ficado em contato com os tubos de catalisador com um fluxo de meio de aquecimento forte apresentando uma temperatura inicial mais alta do que a temperatura de aquecimento inicial para formar o meio de aquecimento cos-simultâneo apresentando a temperatura de aquecimento inicial.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o fluxo de alimentação é submetido a uma queda de pressão crítica na extremidade de entrada de cada canal.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o meio de aquecimento forte são gases de combustão provenientes de um queimador.

4. Processo, de acordo com qualquer das reivindicações de 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a reação de equilíbrio endotérmica é uma reação de desidrogenação.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a reação de desidrogenação é executada em um hidrocarbo-neto, preferivelmente um alcano C2 - Cs ou olefina ou etilbenzeno.

6. Reator para executar um processo de reação endotérmica, caracterizado pelo fato de compreender uma seção de provisão de calor contendo um meio de provisão de calor, a seção de provisão de calor se comunicando com uma extremidade de entrada de uma seção de reator, a seção de reator contendo tubos de catalisador e apresentando uma extremidade de saída se comunicando com uma seção de espaço de cabeça, os tubos de catalisador sendo protegidos da radiação de calor do meio de geração de calor, o reator adicional mente compreendendo uma seção de recircu-lação conectando a seção de espaço de cabeça à seção de provisão de calor, sendo que o aquecimento dos tubos catalíticos ocorre através apenas de aquecimento por convecção,

7, Reator, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o meio de provisão de calor compreende pelo menos um queimador,

8, Reator, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende uma linha de alimentação e uma linha de produto e no qual a seção de reator contém painéis de reator, cada painel de reator compreendendo um coletor de alimentação, um coletor de produto e canais adjacentes, cada canal apresentando um comprimento, que corre de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, e no qual as extremidades de entrada são direta mente conectadas ao coletor de alimentação e abertas para o mesmo e as extremidades de saída são direta mente conectadas ao coletor de produto e abertas para o mesmo e no qual o coletor de alimentação apresenta pelo menos uma conexão a uma linha de alimentação e o coletor de produto apresenta pelo menos uma conexão a uma linha de produto e no qual parte de pelo menos um coletor, o coletor de alimentação ou coletor de produto, é desprendivel, dando acesso âs extremidades do canal.

9, Reator, de acordo com qualquer das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que a extremidade de entrada de cada tubo de catalisador é provida com meio de restrição de fluxo adequado para impor uma queda de pressão crítica em um fluxo de alimentação que entra no tubo,

10, Uso do reator, como definido em qualquer das reivindicações 6 a 9, caracterizado por ser para conduzir o processo, como definido em qualquer das reivindicações 1 a 5.

11. Uso do reator, como definido na reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de ser para conduzir o processo como definido em uma das reivindicações 4 ou 5.