BRPI0711379B1 - reator isotérmico - Google Patents

reator isotérmico

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BRPI0711379B1
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Filippi Ermanno
Rizzi Enrico
Tarozzo Mirco
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Methanol Casale Sa
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Abstract

reator isotérmico. a presente invenção se refere a um reator isotérmico (1) compreendendo um vaso de pressão (2) fechado nas extremidades opostas por respectivos fundos (3, 4), uma zona de reação (9) no referido vaso de pressão (2) em que pelo menos uma cesta catalítica (10) está posicionada, e pelo menos uma unidade de troca de calor (13) embutida na referida pelo menos uma cesta catalítica (10), cada unidade de troca de calor (13) compreendendo uma pluralidade de trocadores de calor (14) cada tendo uma câmara interna pretendida para ser atravessada por um fluido de troca de calor de operação, o reator sendo caracterizado pelo fato de que compreende meios (17, 18) para captação de amostras de fluido de troca de calor de operação de grupos (16) de trocadores pré-estabelecidos em cada unidade de troca de calor (13), de modo a determinar a possível existência de trocadores (14) danificados nos referidos grupos (16) de trocadores através da análise de respectivas amostras de fluido de troca de calor de operação. a invenção também se refere a um método para detecção da existência de trocadores de calor danificados no reator isotérmico do tipo antes mencionado.

Description

"REATOR ISOTÉRMICO" DESCRIÇÃO
Campo de aplicação Em seu aspecto mais geral, a presente invenção se refere a um reator químico do tipo compreendendo um invólucro substancialmente cilíndrico (ou vaso de pressão), fechado nas extremidades opostas por respectivos fundos, uma zona de reação no referido vaso de pressão em que pelo menos um leito catalítico (ou cesta) está posicionado, e uma unidade de troca de calor embutida no referido leito catalítico.
Em particular, a presente invenção se refere a um reator do tipo acima considerado, internamente estruturado para permitir que os gases reagentes e os produtos de reação gasosos atravessem o leito de catalisador na direção radial, axial-radial ou axial (com referência ao eixo do vaso de pressão de referido reator), e compreendendo uma unidade de troca de calor consistindo de uma pluralidade de trocadores de calor em forma de placa substancialmente em forma de caixa, definindo uma câmara dentro dos mesmos pretendida para ser atravessada por um fluido de troca de calor de operação.
Mais especificamente, a presente invenção se refere a um reator do tipo antes mencionado em que é previsto detectar a existência de trocadores de calor mecanicamente danificados, e a um método para detecção da existência de tais trocadores de calor danificados. Técnica Anterior Reatores do tipo acima indicados são amplamente conhecidos no campo. Eles são particularmente úteis para efetuar reações químicas exotérmicas e endotérmicas conduzidas em condições substancialmente isotérmicas, em outras palavras condições em que a temperatura de reação é controlada dentro de uma faixa preferivelmente estreita de valores ao redor de um valor pré-determinado.
Em tais reatores, as cinéticas de uma reação química pré-determinada, ou exotérmica ou endotérmica, são promovidas pelo fato que o fluido de operação, que atravessa a respectiva unidade de troca de calor, remove ou retira calor do ambiente de reação (leito catalítico) de modo a mover a reação a sua completação.
No restante da descrição e nas reivindicações subseqüentes, um reator do tipo antes mencionado é identificado com o termo: pseudo-isotérmico, ou em reator isotérmico curto. É igualmente conhecido que, durante a operação destes reatores isotérmicos, os trocadores de calor da unidade de troca de calor, comumente referidos como placas, podem suportar danos mecânicos tais como para conduzir a possibilidade que os gases de processo (em outras palavras, os gases reagentes e os produtos de reação gasosos) podem entrar em contato com o fluido de troca de calor que escoa nos trocadores. Tais danos mecânicos são principalmente a consequência do fenômeno de corrosão e/ou choques térmicos, ou de defeitos de manufaturamento.
Mais especificamente, os danos mecânicos antes mencionados podem consistir da formação de pequenas rachaduras nas placas, freqüentemente nos pontos de soldagem, através dos quais os gases de processo podem penetrar nas câmaras das placas danificadas, misturando com o fluido de troca de calor de operação sempre que ele opera em uma pressão mais baixa do que a pressão de operação de processo, ou mesmo através das quais o fluido de troca de calor de operação pode vazar a partir das placas danificadas no caso que elas operam a uma pressão mais alta do que, ou substancialmente igual à pressão de operação.
Isto pode ocorrer, por exemplo, em um reator isotérmico para a produção de metanol em que as placas de troca de calor são atravessadas por um líquido refrigerante (por exemplo, água de ebulição) que opera a uma pressão mais baixa do que a pressão de processo de operação. De fato, neste caso, os gases de processo, isto é, CO, H2 e metanol, podem passar nas rachaduras das placas danificadas com os mesmos sendo absorvidos na água de arrefecimento.
Sem se dizer que o problema antes mencionado afeta negativamente pelo menos a produtividade e a segurança de operação do reator a uma extensão que aumenta conforme a extensão do dano às placas de troca de calor aumenta.
Deve também ser notado que no caso existe uma indicação que pode estar associada com a existência de dano às placas (por exemplo, redução no desempenho do reator, superaquecimento no reator, e/ou variação na pressão do fluido de troca de calor), a identificação da(s) placa(s) danificada (s) para substituição ou reparo da mesma/das mesmas requereria tempo de parada e manutenção que duraria muito considerando-se que o número de placas em tal reator é muito grande (na ordem de centenas), e que o dano pode ser pequeno em tamanho e, desse modo, difícil de se localizar. Além disso, se o reator deve ser parado para operações de manutenção, seria necessário colocar todas as placas com o fluido de troca de calor sob pressão de modo a identificar a(s) placa(s) danificada(s) através de uma perda correspondente de referido fluido.
Existe, portanto, uma necessidade neste campo de terse um reator isotérmico em que seja possível detectar a possível presença de placas de troca de calor danificadas em uma amostra de maneira simples e de custo efetivo, de modo a reduzir substancialmente os tempos de parada e de manutenção do reator no caso em que é necessário substituir ou reparar placas danificadas.
Resumo da invenção 0 problema técnico baseado na presente invenção é, portanto, aquele de proporcionar um reator isotérmico que satisfaça o requerimento antes mencionado.
Tal problema é solucionado com a presente invenção por um reator isotérmico compreendendo um vaso de pressão fechado nas extremidades opostas por respectivos fundos, uma zona de reação no referido vaso de pressão em que pelo menos uma cesta catalítica está posicionada, e pelo menos uma unidade de troca de calor embutida na referida pelo menos uma cesta catalítica, cada unidade de troca de calor compreendendo uma pluralidade de trocadores de calor, cada um tendo uma câmara interna pretendida para ser atravessada por um fluido de troca de calor de operação, o reator sendo caracterizado pelo fato de que compreende meios para captação de amostras de fluido de troca de calor de operação de grupos de trocadores pré-estabelecidos em cada unidade de troca de calor, de modo a determinar a possível existência de trocadores danificados nos referidos grupos de trocadores através da análise de respectivas amostras de fluido de troca de calor de operação.
Preferivelmente, as amostras antes mencionadas de fluido de troca de calor de operação são captadas através dos meios de captação antes mencionados na descarga do fluido de troca de calor de operação a partir dos trocadores dos respectivos grupos de trocadores.
Preferivelmente, os meios de captação antes mencionados compreendem, para cada grupo de trocadores, um duto coletor de fluido de troca de calor de operação em comunicação de fluido com cada trocador do grupo de trocadores na descarga do fluido de troca de calor de operação de referidos trocadores, e um duto de captação de fluido de troca de calor de operação em comunicação de fluido com referido duto coletor, e com o exterior do reator.
Preferivelmente, os dutos de captação dos grupos de trocadores são agrupados em lotes em uma porção terminal dos mesmos, e cada lote de dutos atravessa um fundo ou vaso de pressão do reator, de modo a colocar os respectivos dutos de captação em comunicação de fluido com o exterior do reator.
Preferivelmente, os trocadores de cada unidade de troca de calor têm uma estrutura em forma de placa plana, com configuração retangular essencialmente alongada com lados longos paralelos ao eixo do vaso de pressão, e lados curtos estendendo-se radialmente com relação aos mesmos. A presente invenção também se refere a um método para detecção da existência de trocadores de calor danificados em pelo menos um grupo de trocadores de calor de um reator isotérmico do tipo antes mencionado. Tal método compreende as etapas de: - captação de pelo menos uma amostra de fluido de troca de calor de operação de pelo menos um grupo de trocadores de calor de referida pelo menos uma unidade de troca de calor; - determinação se existe trocadores danificados no referido pelo menos um grupo de trocadores de calor através da análise de referida amostra ou referidas amostras de fluido de troca de calor de operação. A presente invenção é baseada na limitação da busca de trocadores ou placas danificados dentro de um certo grupo de placas (ou certos grupos de placas) de uma unidade de troca de calor, ao invés de sobre a unidade de troca de calor total conforme requerido pela técnica anterior.
Isto é alcançado, de acordo com uma concretização preferida da invenção, pela captação de pelo menos uma amostra de fluido de troca de calor de operação de cada grupo definido de trocadores através de respectivos dutos de captação e, em seguida, analisando cada amostra de modo a identificar o grupo de placas (ou grupos de placas) contendo a(s) placa(s) danifiçada(s). A análise efetuada nas amostras de fluido de troca de calor de operação provenientes dos grupos de placas pode ser alcançada na determinação se o gás de processo está presente no referido fluido que revelaria a existência de placas danificadas no interior do reator. Desde que cada amostra de fluido de troca de calor captada a partir do reator esteja associada com um certo grupo de placas (ou com certos grupos de placas), é também possível identificar o grupo de placas (ou grupos de placas) contendo a(s) placa(s) danifiçada(s).
As vantagens que derivam disto são claras e, ao mesmo tempo, substanciais. Com a presente invenção é, de fato, possível, efetuar as operações antes mencionadas com o reator operando e, portanto, retardar o tempo de parada do reator para operações de manutenção após ter completado a análise e, portanto, ter identificado o grupo ou grupos de placas contendo as placas danificadas. Além disso, os tempos de manutenção são consideravelmente reduzidos porque, conforme as partes que necessitam de intervenção já são conhecidas, é possível programar a operação a ser efetuada em avanço, reduzindo-se ao mínimo o tempo necessário para as operações de substituição dos grupos de placas contendo as placas danificadas, ou de reparar as placas danificadas nos grupos identificados.
Deve também ser notado que a análise das amostras de fluido de troca de calor provenientes dos respectivos grupos de placas é absolutamente simples, e não requer aparelhos complicados e custosos.
Por exemplo, no caso de um reator isotérmico para a produção de metanol, é suficiente detectar a presença no líquido refrigerante de gases de processo incondensáveis, no caso específico os gases de síntese CO e H2, que é possível em um modo muito simples com a ajuda de instrumentos de análise comuns.
Outras características e vantagens da presente invenção tornar-se-ão mais claras a partir da seguinte descrição de uma concretização do processo de acordo com a invenção, dada para indicação, e não com a proposta de limitação, com referência aos desenhos em anexo.
Breve descrição dos desenhos Nas figuras: - figura 1 mostra uma vista em corte parcial em perspectiva de um reator isotérmico radial de acordo com uma concretização da invenção, - figura 2 representa esquematicamente uma vista em perspective de um grupo de trocadores de calor (placas) da unidade de troca de calor do reator da figura 1.
Descrição detalhada de uma concretização preferida Com referência à figura 1, a referência numérica 1 indica globalmente um reator isotérmico compreendendo um vaso de pressão 2, com eixo vertical, fechado nas extremidades opostas por respectivos fundo inferior 3 e fundo superior 4, convencionalmente equipado com passagens 6, 8 para a entrada e a descarga, respectivamente dos gases reagentes e dos produtos de reação gasosos, em e de referido reator isotérmico 1, bem como por uma abertura 5 e a passagem 7 para a liberação de catalisador.
No vaso de pressão 2, uma zona de reação ou ambiente é definida, em que pelo menos uma cesta catalítica 10, substancialmente cilíndrica, é suportada, que é coaxial com o vaso de pressão 2, e com ele definindo um interespaço 11 de largura baixa, e um duto central 12, estendendo-se no eixo do próprio vaso de pressão. A cesta catalítica 10 is perfurada para permitir a passagem dos gases reagentes de referido interespaço 11 para referida zona de reação 9, onde o duto central 12, também permeável aos gases, tem uma extremidade superior fechada 12a e uma extremidade inferior aberta 12b em comunicação direta de fluido com a passagem 8 do fundo 3. A cesta catalítica 10 é pretendida para conter uma massa de um catalisador apropriado (não representada), em que uma unidade de troca de calor globalmente indicada por 13 é embutida e suportada, em uma maneira conhecida por si.
Referida unidade de troca de calor 13 tem uma configuração cilíndrica total, tendo um diâmetro externo menor do que, ou substancialmente igual, ao diâmetro interno de referida cesta catalítica 10, e um diâmetro interno maior do que, ou substancialmente igual, ao diâmetro externo do duto axial 12.
Em particular, de acordo com uma concretização preferida, mas não limitativa, esquematizada na figura 1, referida unidade de troca de calor 13 compreende uma pluralidade de trocadores de calor 14 dispostos radialmente regularmente distribuídos em duas séries coaxiais e concêntricas. Com referência à figura 2, cada trocador 14 tem uma estrutura em forma de placa substancialmente em forma de caixa, plana, com configuração retangular essencialmente alongada. De acordo com o arranjo da figura 1, na unidade de troca de calor 13, todos os trocadores 14 são dispostos com os lados longos 14a paralelos ao eixo do vaso de pressão 2, e os lados curtos 14b e 14c estendendo-se radialmente com relação aos mesmos.
Mais especificamente, os trocadores 14 cada consiste de um par de placas de metal justapostas, unidas juntas, em relacionamento à parte espaçado, através de soldagem perimétrica, de modo que uma câmara é definida entre elas pretendida para ser atravessada por um fluido de troca de calor de operação.
De acordo com a presente invenção, na unidade de troca de calor 13 do reator 1 existem, em cada uma das séries coaxiais de trocadores 14, uma pluralidade de grupos 16 de trocadores, cada grupo 16 sendo equipado com um respectivo duto coletor 17, em comunicação de fluido com cada trocador 14 do grupo correspondente 16, e um respectivo duto de captação 18 que se projeta a partir do duto coletor 17 em direção ao exterior do reator 1. Mais especificamente, conforme melhor mostrado na figura 2, cada grupo 16 de trocadores consiste de um conjunto de quatro trocadores 14 dispostos radialmente com o respectivo duto coletor 17 em comunicação de fluido, através de respectivos assentamentos 19, com os dutos coletores 20 do fluido de troca de calor que sai da câmara dos trocadores 14. Obviamente, o número de trocadores 14 dentro de cada grupo 16 pode ser variado conforme desejado de acordo com a contingência e requerimentos específicos e, portanto, os conjuntos de quatro trocadores 14 mostrados nas figuras devem ser considerados um exemplo representativo, mas não limitativo, de grupos de trocadores de acordo com a invenção.
Voltando-se à figura 1, deve ser notado que cada duto coletor 17 está situado a uma altura próxima àquela dos lados curtos superiores 14c dos trocadores 14 do grupo correspondente 16, onde cada duto de captação 18 se estende acima do respectivo duto coletor 17 a ser colocado em comunicação de fluido com o exterior do reator 1. Mais especificamente, de acordo com uma concretização preferida da invenção, os dutos de captação 18 dos grupos 16 de trocadores são agrupados nas respectivas porções terminais em lotes 40, e cada lote 40 de dutos atravessa o fundo superior 4 do reator 1, onde respectivos dutos são engatados através de uma boca 21. No exemplo não-limitativo mostrado na figura 1, cada lote 40 de dutos compreende dois dutos de captação 18 do fluido respectivamente associado com um grupo 16 de trocadores 14 da série coaxial interna, e com um grupo 16 de trocadores 14 da série coaxial externa.
Desse modo, é possível reduzir substancialmente o número de aberturas no reator 1 necessárias para colocar os dutos de captação 18 em comunicação de fluido com o exterior do reator 1, bem como o número de bocas 21 com a vantagem de assegurar que o reator 1 mantenha resistência mecânica adequada. Obviamente, embora menos vantajoso, é possível prever que cada duto de captação 18 seja colocado em comunicação de fluido com o exterior do reator através de uma abertura correspondente em um fundo 3 ou 4, respectivamente inferior ou superior, ou no vaso de pressão 2 do reator.
No reator 1, as bocas 21 podem estar ligadas a um instrumento convencional para análise das amostras de fluido de troca de calor captado através dos dutos coletores 17 e dos dutos de captação 18. O reator isotérmico 1, de acordo com a invenção, também compreende um duto 30 para alimentação do fluido de troca de calor em comunicação de fluido no topo, através de assentamentos tubulares 31, com dois dutos de alimentação-distribuição anulares 32, um para cada série coaxial de trocadores 14, dispostos sob a unidade de troca de calor 13 em relacionamento espaçado predeterminado do mesmo. O duto de alimentação 30 atravessa o vaso de pressão 2, onde ele é engatado, através de uma boca 35 adequada, para ser conectado, fora do reator 1, a uma fonte não-representada de referido fluido de operação (por exemplo, consistindo de água de ebulição, ou sais fundidos, ou similares).
Os dutos anulares de alimentação-distribuição 32 estão, por sua vez, em comunicação de fluido no topo, através de assentamentos tubulares 33, com os trocadores de calor 14 da respectiva série coaxial para a distribuição do fluido de troca de calor dentro dos mesmos.
Acima da unidade de troca de calor 13, o reator 1 compreende dois dutos concêntricos anulares 27, uma para cada série coaxial de trocadores de calor 14, que recebe o fluido de troca de calor que sai a partir dos trocadores 14 a partir dos respectivos dutos coletores 20 antes mencionados.
Os dutos anulares concêntricos 27 estão em comunicação de fluido no topo, através de assentamentos tubulares 26, com um duto coletor 25 geral do fluido de troca de calor que sai a partir dos trocadores de calor 14 e, em seguida, com um duto de descarga 23 de referido fluido para o exterior do reator 1. O duto de descarga 23 atravessa o fundo superior 4 do reator 1, onde ele é engatado, através de uma boca 24, para ser ligado a usos diferentes fora do reator 1. A presente invenção brilhantemente soluciona o problema técnico acima considerado, e alcança numerosas vantagens já anteriormente observadas, incluindo a vantagem existência de trocadores de calor danificados capazes de serem associados com grupos predeterminados de trocadores de calor em um modo simples e de custo efetivo sem ter que parar o reator.
Deve também ser notado que embora a presente invenção se preste particularmente a reatores que operam com uma pressão do fluido de troca de calor de operação que seja menor do que a pressão de operação dos gases de processo, ela é igualmente válida no caso em que o fluido de operação tem uma pressão mais alta do que, ou substancialmente igual, à pressão de operação dos gases de processo. De fato, neste caso, deve existir uma indicação que possa estar associada com a possibilidade de dano às placas dos trocadores ser igualmente possível detectar a existência de trocadores danificados que podem estar associados com grupos predeterminados de trocadores de calor, sem parar o reator, pela redução da capacidade de produção do reator por um período de tempo predeterminado durante o qual o fluido de troca de calor de operação é despressurizado de modo a ter uma pressão mais baixa do que a pressão de processo, e tomando-se amostras de fluido de troca de calor a partir dos trocadores de calor para análise no modo descrito anteriormente. A invenção desse modo concebida pode suportar outras modificações e variantes, todas das quais estando dentro do alcance do técnico no assunto, e como tais, são cobertas pelo escopo de proteção da própria invenção, conforme definida pelas reivindicações que se seguem.
REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. - Reator isotérmico (1) compreendendo um vaso de pressão (2) fechado nas extremidades opostas por respectivos fundos (3, 4), uma zona de reação (9) no referido vaso de pressão (2), em que pelo menos uma cesta catalítica (10) está posicionada, e pelo menos uma unidade de troca de calor (13) embutida na referida pelo menos uma cesta catalítica (10), cada unidade de troca de calor (13) compreendendo uma pluralidade de trocadores de calor (14), cada um tendo uma câmara interna pretendida para ser atravessada por um fluido de troca de calor de operação, o reator sendo caracterizado pelo fato de que compreende meios (17, 18) para captação de amostras de fluido de troca de calor de operação de grupos (16) de trocadores pré-estabelecidos em cada unidade de troca de calor (13).
2. - Reator isotérmico (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que referidas amostras de fluido de troca de calor de operação são captadas através dos meios de captação (17, 18) antes mencionados na descarga do fluido de troca de calor de operação de trocadores (14) dos respectivos grupos (16) de trocadores.
3. - Reator isotérmico (1), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que referidos meios de captação (17, 18) compreendem, para cada grupo (16) de trocadores (14), um duto coletor (17) de fluido de troca de calor de operação em comunicação de fluido com cada trocador (14) do grupo (16) de trocadores na descarga do fluido de troca de calor de operação de referidos trocadores (14), e um duto de captação (18) de fluido de troca de calor em comunicação de fluido com referido duto coletor (17), e com o exterior do reator (1).
4. - Reator isotérmico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que referidos dutos de captação (18) dos grupos (16) de trocadores (14) são agrupados em lotes (40) em uma porção terminal destes, e cada lote (40) de dutos (18) atravessa um fundo (3 ou 4), ou o vaso de pressão (2) do reator, de modo a colocar os respectivos dutos de captação (18) em comunicação de fluido com o exterior do reator.
5. - Reator isotérmico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que referidos trocadores de calor (14) cada tem uma estrutura em forma de placa plana com configuração retangular essencialmente alongada com lados longos (14a) paralelos ao eixo do vaso de pressão (2) , e lados curtos (14b, 14c), inferiores e superiores respectivamente, estendendo-se radialmente com relação à mesma.
6. - Reator isotérmico (1), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que cada duto coletor (17) está situado a uma altura próxima àquela dos lados curtos superiores (14c) dos trocadores (14) de respectivos grupos (16) de trocadores, e cada duto de captação (18) se estende no topo a partir do respectivo duto coletor (17) a ser colocado em comunicação direta ou indireta de fluido com o exterior do reator (1).
7. - Reator isotérmico (1), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que os dutos de captação (18) de cada lote (40) são engatados com referido fundo superior (4) do reator (1) através de uma respectiva boca (21).
8. - Método para detector a existência de trocadores de calor (14) danificados em pelo menos um grupo (16) de trocadores de calor de um reator isotérmico (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, o método compreendendo as etapas de: - captação de pelo menos uma amostra de fluido de troca de calor de operação de pelo menos um grupo (16) de trocadores (14) de referida pelo menos uma unidade de troca de calor (13); - determinação se existem trocadores (14) danificados em referido pelo menos um grupo (16) de trocadores (14) através da análise de referidas amostras de fluido de troca de calor de operação.
9. - Método, de acordo com a reivindicação 8, no qual a captação de referida pelo menos uma amostra de fluido de troca de calor de operação é efetuada na descarga de referido fluido a partir dos trocadores (14) de referido pelo menos um grupo (16) de trocadores (14).
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