BRPI0708113A2

BRPI0708113A2 - estrutura de catalisador, método para fabricar a mesma, e, reator catalìtico compacto

Info

Publication number: BRPI0708113A2
Application number: BRPI0708113-8A
Authority: BR
Inventors: James David West
Original assignee: Compactgtl Plc
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2011-05-17
Also published as: AU2007217143B2; EA012293B1; CN101389403A; TW200740525A; MY150084A; GB0603609D0; WO2007096666A1; US7608227B2; AU2007217143A1; CA2641666A1; EA200870285A1; EP1986777A1; NO20083615L; US20070197382A1

Abstract

ESTRUTURA DE CATALISADOR, MéTODO PARA FABRICAR A MESMA, E, REATOR CATALìTICO COMPACTO.Uma estrutura de catalisador compreende uma faixa de folha fina (10) atuando como o substrato, e que foi cortada e conformada de modo a definir uma multiplicidade de picos (15) e calhas (16), cada com seu eixo atravessando a folha fina, de modo que os picos e as calhas sejam dispostos alternados ao longo da folha fina (10). Este substrato corrugado pode ser provido com um revestimento cerâmico incorporando um material catalítico. As corrugações melhoram a turbulência dentro de um canal de escoamento de um reator catalítico compacto.

Description

"ESTRUTURA DE CATALISADOR, MÉTODO PARA FABRICAR AMESMA, E, REATOR CATALÍTICO COMPACTO"

Esta invenção refere-se a uma estrutura de catalisador apropriadapara uso em um reator catalítico contendo canais para uma reação química, aum processo para fabricar esta estrutura de catalisador, e a um reator químicoincorporando esta estrutura de catalisador.

Um processo é descrito em WO 01/51194 e WO 03/033131(Accentus plc) em que metano é reagido com vapor, para gerar monóxido decarbono e hidrogênio em um primeiro reator catalítico; a mistura de gásresultante é então usada para realizar a síntese de Fischer-Tropsch em umsegundo reator catalítico. O resultado global consiste em converter metano emhidrocarbonetos de cadeia mais longa de maior peso molecular, que sãogeralmente líquidos ou ceras sob condições ambientes. Os dois estágios doprocesso, reforma a vapor/metano e síntese de Fischer-Tropsch, requeremdiferentes catalisadores, e reatores catalíticos são descritos para cada estágio.

Em cada caso, o catalisador pode compreender uma folha fina corrugadarevestida com material catalítico. As corrugações atravessam o comprimentode cada canal, tendo o efeito de subdividir o canal em muitos sub-canaisparalelos. Apesar destas estruturas de catalisador serem efetivas, elas devemser fabricadas com cuidado para assegurar que irão se encaixar no canal,como a altura das corrugações deve ser adequada à altura do canal e, aomesmo tempo, a altura das corrugações afeta a largura da folha finacorrugada, que é geralmente requerido para se alinhar com a largura do canal.

De acordo com a presente invenção, provê-se uma estrutura decatalisador compreendendo uma folha fina que foi cortada e conformada demodo a definir uma multiplicidade de picos e calhas cada com seu eixoatravessando a folha fina, de modo que os picos e calhas sejam dispostosalternados ao longo da folha fina.Ao longo do comprimento da folha fina, podem estar dispostaslinhas de picos e linhas de calhas ou, alternativamente, podem estar dispostaslinhas ao longo das quais picos e calhas são dispostos alternados.

Os picos e calhas podem ter qualquer forma desejada, que podeser, por exemplo, triangular.

Esta estrutura de catalisador pode melhorar a turbulência. Elapode ser inserida em um canal de seção transversal geralmente retangular,sendo a largura da folha fina tal de modo a encaixar na largura do canal; aformação dos picos e calhas não altera a largura da folha fina.

A presente invenção também provê um método para fabricar umaestrutura de catalisador, o método compreendendo as etapas de selecionaruma folha fina de uma largura apropriada, cortar uma multiplicidade defendas paralelas na folha fina, as fendas se estendendo na direção docomprimento, e deformar as seções de folha fina entre fendas adjacentes empicos ou calhas, de modo que a folha fina define uma multiplicidade de picose calhas, cada com seu eixo atravessando a folha fina, dispostos de modo queos picos e calhas sejam dispostos alternados ao longo da folha fina.

Em um terceiro aspecto, a presente invenção também provê umreator catalítico compacto definindo uma multiplicidade de primeiro esegundo canais de fluxo dispostos alternadamente no reator, para transportarprimeiro e segundo fluidos, respectivamente, em que pelo menos os primeirosfluidos sofrem uma reação química; cada primeiro canal de fluxo contendouma estrutura de catalisador removível, permeável a gás, a estrutura decatalisador incorporando um substrato de folha fina de metal que foi cortado econformado de modo a definir uma multiplicidade de picos e calhas cada umcom seu eixo atravessando a folha fina, de modo que os picos e calhas sejamdispostos alternados ao longo da folha fina.

O reator pode ser feito de uma liga de alumínio, aço inoxidável,ligas de alto teor de níquel, ou outras ligas de aço, dependendo da temperaturae pressão requeridas para as reações, e a natureza dos fluidos, tanto reagentescomo produtos. As estruturas de catalisador não dão resistência ao reator, demodo que o próprio reator deve ser suficientemente forte para resistir aquaisquer forças de pressão durante a operação. Será notado que o reator podeser encerrado dentro de um vaso de pressão de modo a reduzir as forças depressão que ele experimenta, ou de modo que as forças de pressão sejamsomente compressivas.

O reator também deve ser provido com coletores paraalimentação dos fluidos para os canais de fluxo e, preferivelmente, cadaprimeiro coletor compreende uma câmara fixada no lado exterior do reator ese comunicando com uma pluralidade dos primeiros canais de fluxo, e cadasegundo coletor compreende uma câmara fixada no lado exterior do reator ese comunicando com uma pluralidade dos segundos canais de fluxo, de modoque, após remoção de um coletor, as estruturas de catalisador correspondentesnos canais de fluxo são removíveis. Isto assegura que os catalisadores podemser facilmente substituídos quando eles se tornam gastos.

A estrutura de catalisador preferivelmente incorpora umrevestimento cerâmico para suportar o material catalítico. Preferivelmente, afolha fina de metal da estrutura de catalisador é de uma liga de aço que formaum revestimento aderente de superfície de óxido de alumínio quandoaquecida, por exemplo, um aço ferrítico contendo alumínio, como ferro com15% cromo, 4% alumínio, e 0,3% ítrio (por exemplo Fecralloy ™). Quandoeste metal é aquecido em ar, ele forma um revestimento aderente de óxido dealumina, que protege a liga contra outra oxidação e contra corrosão. Onde orevestimento cerâmico é de alumina, ele parece se ligar ao revestimento deóxido sobre a superfície. O substrato preferido é uma folha fina de metal fina,por exemplo, de espessura menor do que 100 μπι. O substrato de metal daestrutura de catalisador melhora a transferência de calor dentro da estrutura decatalisador, evitando pontos quentes ou pontos frios, melhora a área desuperfície do catalisador, e confere resistência mecânica.

Onde a profundidade do canal não é maior do que cerca de 3mm, então a estrutura do catalisador pode, por exemplo, ser uma folha finaconformada única. Alternativamente, e particularmente onde a profundidadedo canal é maior do que cerca de 2 mm, a estrutura do catalisador podecompreender uma pluralidade destas folhas finas conformadas separadas porfolhas finas substancialmente planas. Para assegurar o requerido bom contatotérmico, por exemplo com um reator de Fischer-Tropsch, os canais têmpreferivelmente uma profundidade menor do que 20 mm e, maispreferivelmente, menor do que 10 mm de profundidade, e para um reator dereforma a vapor/metano, os canais tem preferivelmente uma profundidademenor do que 5 mm. Mas os canais têm preferivelmente pelo menos 1 mm deprofundidade, ou se torna difícil inserir as estruturas de catalisador, e astolerâncias de engenharia se tornam mais críticas. Como desejável, a estruturadentro dos canais é mantida uniformemente ao longo da largura do canal, emcerca de 2-4°C, e isto é mais difícil de alcançar quanto maior se torna o canal.

O reator pode compreender uma pilha de placas. Por exemplo, osprimeiro e segundo canais de fluxo podem ser definidos por ranhuras nasplacas respectivas, as placas sendo empilhadas e então ligadas juntas.Alternativamente, os canais de fluxo podem ser definidos por chapas finas demetal que são encasteladas e empilhadas alternativamente com chapas planas;as bordas dos canais de fluxo podem ser definidas por tiras de vedação. Apilha de placas formando o reator é unida em conjunto, por exemplo porligação por difusão, brasagem, ou prensagem isostática a quente. A título deexemplo, as placas (em plano) podem ter uma largura na faixa de 0,05 m até 1m, e comprimento na faixa de 0,2 m até 2 m, e os canais de fluxo sãopreferivelmente de altura entre 1 mm e 20 mm ou menos (dependendo danatureza da reação química, como indicado acima). Por exemplo, as placaspodem ter 0,3 m de largura e 1,5 m de comprimento, definindo canais de 5mm de altura.

A invenção será agora ainda e mais particularmente descrita, atítulo de exemplo apenas, e com referência aos desenhos anexos, em que:

A figura 1 mostra uma vista em perspectiva de uma folha fina demetal durante a fabricação de um inserto catalítico;

A figura 2 mostra uma vista em perspectiva da folha fina demetal da figura 1 em um estágio subseqüente; e

A figura 3 mostra uma vista final da folha fina de metal da figura2, na direção da seta 3 da figura 2.

Com referência agora à figura 1, uma estrutura catalítica parainserção em um canal retangular em um reator catalítico compacto é fabricadausando uma folha fina de aço de liga Fecralloy tipicamente de espessura nafaixa de 10 a 200 μτη, por exemplo 50 μηι. A folha fina 10 é selecionada parater uma largura levemente menor do que a do canal em que ela deve serinserida, a diferença na largura possibilitando uma folga suficiente (porexemplo 0,5 mm ou 1,0 mm) para assegurar que ela possa ser deslizadalivremente dentro do canal. Neste exemplo, a folha fina 10 tem uma largurade 12 mm, mas a folha fina pode ser de qualquer largura apropriada. A folhafina 10 é primeiro submetida a um processo de corte para formar um arranjode fendas 12, todas se estendendo longitudinalmente, cada fenda sendo domesmo comprimento (por exemplo 5 mm). As fendas 12 são espaçadasseparadas ao longo da largura da folha fina 10, neste exemplo separadas em 2mm, de modo a formar uma fileira de fendas 12 ao longo da largura, e sãoespaçadas separadas longitudinalmente a partir da próxima fileira de fendas12 em, por exemplo, 2 mm, de modo que estão presentes porções de folhasfinas 14 não fendidas em separações de 5 mm ao longo do comprimento dafolha fina 10.

A folha fina 10 é então submetida a um processo de corrugação,por exemplo usando roletes apropriadamente dentados, para produzir ascorrugações, como mostrado nas figuras 2 e 3. O processo é tal que, para cadafenda 12, as seções de folha fina em ambos os lados são formadas em um pico15 (em um lado) e uma calha 16 (no outro lado), de modo que os picos 15 e ascalhas 16 são dispostos alternados ao longo da largura da faixa. Em umaforma de realização mostrada na figura 2, na direção longitudinal, seçõessucessivas são, todas, formadas como picos 15 ou todas como calhas 16. Emcada caso, o eixo do pico 15 ou calha 16 (isto é, digamos, uma linhaatravessando a crista do pico, ou atravessando o fundo da calha, ou uma linhaparalela a uma destas linhas) se estende perpendicular ao eixo longitudinal dafolha fina 10.

A folha fina 10 pode, então, ser cortada em um comprimentoapropriado para o canal em que ela deve ser inserida, preferivelmentecortando ao longo de uma das porções de folha fina 14 não fendidas. A seçãocorrugada da folha fina 10 é então provida com uma superfície catalítica, oupor deposição de metal catalítico diretamente sobre a superfície da folha fina10, ou primeiro revestindo a folha fina 10 com um revestimento cerâmico e,então, depositando o metal catalítico na cerâmica. Os procedimentos paradepositar o material catalítico sobre o substrato de folha fina são conhecidosdo versado na técnica. Por exemplo, a folha fina 10 pode ser revestida comum revestimento cerâmico (não mostrado) como alumina de espessuratipicamente na faixa de 30-80 μπι (por exemplo para reforma a vapor oucombustão), e o material catalítico ativo (como platina/ródio, no caso dereforma a vapor) é então incorporado na cerâmica. Será notado que a naturezado revestimento cerâmico e do metal catalítico irá depender da reação quedeve ser realizada no reator.

Será notado que este processo permite que um inserto decatalisador seja feito em qualquer comprimento desejado, e que a largura épredeterminada pela largura da folha fina, o que não é alterado pelo processode corrugação. A altura dos picos 15 e calhas 16 pode ser selecionada eajustada para se adequar à altura do canal em que ele se destina ser inserido.

Será também notado que, em alguns casos, por exemplo com um canal que éde altura acima de cerca de 4 mm, pode-se preferir usar uma montagem deestruturas corrugadas de catalisador separadas por folhas finassubstancialmente planas que podem também incorporar um revestimentocatalítico. Por exemplo, em um canal de 6 mm, podem estar presentes duasestruturas de catalisador de folha fina corrugada, cada uma de altura total 2,5mm, separada por uma folha fina substancialmente plana. Em qualquerevento, a folha fina corrugada 10 será suficientemente flexível de modo queas corrugações podem ser comprimidas, reduzindo o risco da folha fina setornar emperrada quando inserindo ou removendo a estrutura de catalisadorcorrugada de um canal.

O perfil da folha fina promove turbulência dentro do canal, quepode levar a uma maior transferência de calor e massa e, assim, a um perfil detemperatura mais uniforme em todo o canal melhorando, desta forma, odesempenho de reação.

Será notado que a corrugação pode ser realizada em um mododiferente do descrito acima. Por exemplo, com a folha fina fendida comomostrado na figura 1, as corrugações podem ser dispostas de modo que aolongo de uma linha longitudinal, seções sucessivas são alternadamente picos15 e calhas 16. As corrugações podem ter uma forma diferente da mostrada nafigura 2, por exemplo sendo retangular ou arredondada em vez de triangular.

Na folha fina 10, mostrada acima, as porções de folha fina não fendidas 14 seestendem em linhas retas se estendendo perpendiculares ao eixo longitudinalda folha fina 10, mas será notado que as fendas 12 podem, ao contrário, serdispostas de modo que as porções de folhas finas não fendidas se estendemem linha reta, isto é, inclinadas, de modo que picos e calhas adjacentes aolongo da largura da folha fina ficam levemente cambaleantes. E, de fato, asfendas 12 podem ser dispostas, ao contrário, de modo que as porções de folhafina não fendidas definem uma curva ou mesmo um ziguezague ao longo dalargura da folha fina 10.

Será também entendido que as fendas 12 podem ser produzidasem qualquer modo apropriado, por exemplo por ataque químico, ou porestampagem mecânica; e que os comprimentos e separações das fendas 12podem ser diferentes dos valores mencionados acima.

Claims

1. Estrutura de catalisador caracterizada pelo fato decompreender uma folha fina que foi cortada e conformada de modo a definiruma multiplicidade de picos e calhas, cada com seu eixo atravessando a folhafina, de modo que os picos e calhas sejam dispostos alternados ao longo dafolha fina.

2. Estrutura de catalisador de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que ao longo do comprimento da folha fina estãolinhas de picos e linhas de calhas.

3. Estrutura de catalisador de acordo com a reivindicação 1,caracterizada pelo fato de que ao longo do comprimento da folha fina estãolinhas ao longo das quais picos e calhas são dispostos alternados.

4. Estrutura de catalisador de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que uma linha de picose calhas, dispostos alternados ao longo da folha fina, se estende perpendicularao eixo longitudinal da folha fina.

5. Estrutura de catalisador de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que uma linha de picos ecalhas, dispostos alternados ao longo da folha fina, se estende inclinada aoeixo longitudinal da folha fina.

6. Estrutura de catalisador de acordo com qualquer uma dasreivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de que os picos e calhastêm uma forma triangular.

7. Método para fabricar uma estrutura de catalisador, o métodocaracterizado pelo fato de compreender as etapas de selecionar uma folha finade uma largura apropriada, cortar uma multiplicidade de fendas paralelas nafolha fina, as fendas se estendendo na direção do comprimento, e deformar asseções de folha fina entre as fendas adjacentes em picos ou calhas, de modoque a folha fina define uma multiplicidade de picos e calhas, cada com seueixo atravessando a folha fina, arranjados de modo que os picos e calhassejam dispostos alternados ao longo da folha fina.

8. Reator catalítico compacto caracterizado pelo fato de definiruma multiplicidade de primeiro e segundo canais de fluxo dispostosalternadamente no reator, para transportar primeiro e segundo fluidos,respectivamente, em que pelo menos os primeiros fluidos sofrem uma reaçãoquímica; cada primeiro canal de fluxo contendo uma estrutura de catalisadorremovível, permeável a gás, a estrutura de catalisador incorporando umsubstrato de folha fina de metal que foi cortado e conformado de modo adefinir uma multiplicidade de picos e calhas cada com seu eixo atravessando afolha fina, de modo que os picos e calhas sejam dispostos alternados ao longoda folha fina.