BRPI0813997B1 - Reactor panel for catalytic processes - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PAINEL DE REATOR PARA PROCESSOS CATALÍTICOS". A presente invenção refere-se a um painel de reator para processos catalíticos, um reator que compreende tais painéis e à utilização do dito reator para conduzir reações catalíticas heterogêneas exotérmicas ou endotérmicas.

Os tipos de reator e a aplicação industrial de reatores catalíticos estão amplamente descritos por Klaus Dieter Henkel et al. em Ullmann Encyclopedia; Reactor types, páginas 1-33 (2005 Wiley VCH Verlag Wei-nheim).

Os processos catalíticos heterogêneos desempenham um papel principal na tecnologia química para produzir muitos produtos-chave e intermediários. Nestes processos, os fluidos reagentes, especificamente os gases, os líquidos e os fluidos supercríticos, reagem na presença de um catalisador sólido, o qual pode estar presente como um particulado, por exemplos péletes ou pó, ou uma matéria contínua, por exemplo, um revestimento sobre as paredes de reator. Os reatores adequados para os processos catalíticos heterogêneos incluem, por exemplo, os reatores de leito fixo. Os aspectos característicos de um reator com leitos fixos de catalisador sólido são a ocorrência de grandes gradientes de temperatura, especialmente quando as reações altamente endotérmicas ou exotérmicas são combinadas com grandes diâmetros de leito. Para as reações exotérmicas existe também o perigo de pontos de operação instáveis.

Os reatores de leito fixo podem ser classificados pelo tipo de remoção ou suprimento de calor. Se o processo de reação impuser requisitos especiais sobre a temperatura mínima ou máxima no leito fixo, o projeto do reator deve permitir um suprimento ou remoção de calor efetivo por meio de uma grande razão entre a área de transferência de calor e o volume de leito fixo. Isto pode ser conseguido minimizando o diâmetro de leito fixo e provendo uma área de transferência de calor adicional dentro do volume de reator. Um projeto conhecido para tal reator é o reator multitubular, o qual é frequentemente utilizado na indústria química. Estes reatores tubulares têm condições favoráveis para o controle de temperatura por suprimento ou remoção de calor e nenhuma peça mecânica móvel. No entanto, estes requerem um grau muito alto de especialização, frequentemente envolvendo um projeto complicado e altos custos de investimento.

Os reatores multitubulares são aplicados, por exemplo, para a síntese de metanol, a síntese de amônia, as reações de oxidação parcial, a síntese de acetato de vinila, a síntese de metil tert-butil éter e as reações de Fischer-Tropsch. Este tipo de reator provê uma certa quantidade sintonizada de área de troca de calor específica para a remoção ou suprimento de calor e o reator contém, além disso, canais de reação estreitos o suficiente para limitar o gradiente de temperatura radial.

Nos reatores multitubulares um grande número de tubos estão estreitamente conectados a furos em uma placa de coletor superior e inferior. Os tubos estão cheios com catalisador e o feixe de tubos é colocado dentro de um invólucro. O meio de aquecimento ou o refrigerante é circulado entre os tubos. Os reagentes são alimentados para a placa de coletor superior ou inferior e distribuem-se sobre os tubos. Fluindo através dos tubos os reagentes em contato com o catalisador reagem para o produto final que flui para fora dos tubos oposto ao lado de alimentação. Os fluxos de reagentes e de produtos e os fluxos de meio de aquecimento/resfriamento devem permanecer separados.

Os reatores multitubulares mostram um número de desvantagens. Para limitar os gradientes de temperatura tubos estreitos são preferidos. No entanto, quanto mais estreitos os tubos, mais tubos são necessários para obter um volume de reação e uma capacidade de produção desejados. Cada um destes tubos deve estar conectado na placa de coletor superior e inferior do reator, deve estar conectado ao coletor de distribuição de reagentes e ao coletor de coleta de produto, e estar cheio com catalisador. Isto quase sempre leva a um compromisso não ótimo entre o número e o diâmetro dos tubos. Também adicionar mais tubos torna mais complexo conseguir o regime de aquecimento/resfriamento desejado. Ainda, a alimentação suprida aparece não uniformemente distribuída sobre os vários tubos.

Outra desvantagem é que a conexão rígida a ambos os coletores leva a tensões mecânicas devido à expansão térmica dos tubos e uma frequente falha mecânica dos reatores multitubulares. Isto pode levar a um contato indesejado entre os fluxos de reagente ou produto com os fluxos de meio de aquecimento/resfriamento e requer uma parada de produção e reparo. Outras desvantagens são a complexa construção de coletor necessária para separar os fluxos de processo dos de instalação e os altos custos de investimento resultantes para os reatores multitubulares. Mais ainda, a má distribuição de alimentação leva à obstrução de tubos e o efeito de obstrução autopropelente de tubos adjacentes. Outra desvantagem é o procedimento tedioso para encher os tubos. É o objetivo da presente invenção prover um reator para reações químicas que tem uma construção mais barata, uma manutenção mais fácil e menos tempo parado.

Este objetivo é conseguido de acordo com a invenção pela provisão de um painel de reator que permite construir um reator que contém uma pluralidade de canais de reação em um modo modular. A invenção assim provê um painel de reator modular para processos catalíticos, que compreende um coletor de alimentação, um coletor de produto e canais adjacentes substancialmente paralelos, cada canal tendo um comprimento, que corre de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, e em que as extremidades de entrada conectam diretamente no coletor e comunicam com o mesmo coletor de alimentação e as extremidades de saída conectam diretamente com o coletor de produto e comunicam com o mesmo, e em que o coletor de alimentação tem pelo menos uma conexão a uma linha de alimentação e o coletor de produto tem pelo menos uma conexão a uma linha de produto e em que pelo menos parte de pelo menos um do coletor de alimentação e do coletor de produto é destacável, dando acesso às extremidades de canal.

Cada painel é um único módulo autossustentável e destes painéis com módulos um reator de dimensões e capacidade desejadas pode ser construído, especificamente um reator para conduzir processos catalíti- cos heterogêneos. Neste reator, os canais, após a parte destacável de pelo menos um coletor ter sido destacada, são facilmente acessíveis para esvaziamento, limpeza e (re)enchimento com o catalisador, em que os painéis podem ser separadamente e facilmente trocados no reator, os painéis permitem uma maior versatilidade em dimensões e fornecem uma maior flexibilidade em aplicar um meio de resfriamento/aquecimento para obter os perfis de temperatura desejados ao longo dos canais.

Em vez de um único grande feixe de tubos como nos reatores multitubulares conhecidos, o volume de reação requerido pode ser construído de um número de painéis de reator, cada um sendo mais leve do que o único feixe de tubos e mais fácil de manipular, manter e substituir o catalisador. Durante a manutenção nenhum feixe de tubos pesado e volumoso precisa ser içado do reator. O volume de reação crescente não requer conectar cada vez mais tubos nas mesmas placas superior e inferior, mas pode ser simplesmente conseguido adicionando mais ou outros tipos de painéis.

Da US 3.453.087, um forno de reformador modular é conhecido, o qual contém uma linha de tubos ou canais de reação ("harpa") conectados a um coletor de alimentação e um de produto. Estas partes essenciais, no entanto, não formam um painel modular independente mas precisam de um suporte construtivo e estão integradas no forno, um dos coletores até sendo posicionado fora do forno.

Ainda, os canais não estão conectados diretamente no coletor de alimentação mas cada um individualmente através de um loop de expansão em rabo de porco. Isto faz com que a combinação de canais, coletores de alimentação e de produto não seja autossustentável, em contraste com o painel de acordo com a invenção que é uma unidade autossustentável pela conexão direta dos canais nos coletores. Isto permite que os painéis sejam suspensos em um reator com a sua extremidade inferior livre, o que permite uma expansão térmica do painel sem requerer um loop de expansão para cada canal individual. Como uma desvantagem adicional da construção conhecida, o acesso aos canais é somente possível removendo uma a uma ambas as extremidades dos loops de expansão dos canais e o coletor de alimentação individualmente, como descrito na referência na coluna 8, linhas 16 a 20. No painel de acordo com a invenção, a remoção somente da parte destacável de um coletor fornece um acesso direto a todos os canais de uma vez. O painel de reator compreende um coletor de alimentação, um coletor de produto e canais adjacentes substancialmente paralelos que conectam o coletor de alimentação com o coletor de produto. Assim os reagen-tes de alimentação supridos para o coletor de alimentação fluirão através dos canais de sua extremidade de entrada para a sua extremidade de saída para dentro do coletor de produto. Em operação, os canais estarão cheios com um catalisador apropriado e os reagentes serão convertidos no produto desejado em contato com o catalisador quando estes fluem através dos canais. O produto formado então deixa o painel do coletor de produto. É notado que o painel de reator é também aplicável para utilização com catalisadores ou iniciadores gasosos. Neste caso, o catalisador é adicionado ao reagente em forma gasosa ou líquida antes que o fluxo de alimentação entre no coletor de alimentação. O líquido evaporará para gás quando contactado com os reagentes aquecidos. Quando o painel é utilizado para uma reação catalítica homogênea, os elementos de construção posteriormente descritos que servem para impedir que um catalisador sólido caia dos canais de reação podem ser omitidos. A vantagem do painel de acordo com a invenção também se aplica para reações que utilizam um catalisador gasoso, seja para a remoção de coque do que para substituir o catalisador.

As extremidades de entrada dos canais conectam diretamente no coletor de alimentação e abrem diretamente para dentro do mesmo, o que deve ser compreendido que existe uma conexão aberta através da qual os reagentes do coletor de alimentação podem entrar nos canais, a extremidade de entrada do canal sendo visível de dentro do coletor. Diretamente assim deve ser compreendido como não contendo nenhum elemento de construção intermediário tal como rabos de porco, foles, tubos e similares mas somente um meio de conexão direta como flanges aparafusados e soldas.

Em um modo análogo o produto que sai dos canais pode entrar no coletor de produto. O coletor de alimentação e o coletor de produto têm meios para serem conectados a uma linha de alimentação e uma linha de produto, respectivamente, para alimentar os reagentes para os produtos formados do painel e removê-los. Estes meios, por exemplo, podem compreender uma extremidade roscada, um flange ou outros dispositivos conhecidos para fazer conexões em equipamentos de transporte de fluidos. A combinação dos canais conectados no coletor de alimentação em uma de suas extremidades e no coletor de produto na outra extremidade forma uma construção estável que permite que o painel fique suspenso dentro de um alojamento de reator somente suportado no seu lado superior. Isto permite a expansão térmica do painel causando apenas mínimas tensões, comparadas com aquelas declaradas para a combinação de placas de coletor superior e inferior e feixe de tubos nos reatores multitubulares.

De preferência, pelo menos uma extremidade de cada canal está terminada com um material de peneira que permite que os reagentes fluidos e o produto passem. No entanto, quaisquer aberturas no material de peneira devem ser pequenas o suficiente para reter um catalisador particu-lado dentro do canal contra a gravidade ou o arraste para dentro de um dos coletores pelos fluxos de alimentação de fluido e de produto através do canal. Este material de peneira será preso removível para facilitar o enchimento de catalisador, a remoção e o reenchimento dos tubos.

Pelo menos um do coletor de alimentação e do coletor de produto é destacável como um todo ou parcialmente dando acesso às extremidades de canal.

Um coletor parcialmente destacável pode compreender uma abertura travada por uma peça destacável. A peça pode ser articulada na borda de coletor que pode ser trazido para uma posição aberta ou pode ser uma peça solta que pode ser conectada na abertura e retirada da mesma. A peça deve ser estanque ao gás e ao líquido conectável no coletor e de preferência também ser facilmente removível. A conexão pode ser estabelecida aparafusando a peça destacável no coletor mas a peça pode também ser soldada no coletor e esmerilhada ao longo da linha de solda para destacar a peça.

Após destacar a peça destacável, é dado acesso à abertura para as extremidades de canais. Isto permite um fácil esvaziamento, limpeza e reenchimento dos canais. De preferência, tal abertura está presente tanto no coletor de alimentação quanto no coletor de produtos. Isto permite o esvaziamento dos canais através de um coletor, posicionamento do painel de modo que o seu coletor esteja em uma posição mais baixa do que o outro coletor e reenchimento dos canais por cima através do outro coletor, mantendo os painéis na mesma posição. A abertura pode estar presente em uma parede de coletor que faceia as extremidades dos canais ou em uma parede normal à direção de comprimento dos canais. A primeira modalidade destas duas é preferida já que fornece o acesso mais fácil.

Os canais estão dispostos no máximo em duas filas, cada fila definindo um plano reto ou curvo, os planos correndo substancialmente paralelos. Assim, os painéis permanecem finos em uma primeira dimensão e proveem uma grande área para troca de calor em relação ao seu volume.

Substancialmente deve ser compreendido como correndo na mesma direção com um desvio mútuo entre qualquer par de canais em um painel no máximo 5o, de preferência no máximo 3o e ainda mais de preferência menos de 1o. De preferência os canais estão dispostos em uma fila reta ou dobrada para adaptar à forma do alojamento de reator dentro do qual os painéis devem ser colocados. Os coletores de alimentação e de produto, então, seguem a forma da fila de canais. Assim, os painéis são planos e, quando dispostos em paralelo a uma distância apropriada, os canais podem ser facilmente acessados por um meio de resfriamento/aquecimento que flui dentro do espaço entre os painéis, permitindo um controle de temperatura preciso dos canais.

Os canais em um painel estão dispostos em filas em contato direto sobre o seu comprimento ou espaçados. Se estes forem espaçados os canais são de preferência conectados a canais adjacentes sobre pelo menos parte de seu comprimento. Estas conexões proveem uma superfície de a-quecimento/resfriamento adicional e de preferência os canais estão conectados um no outro sobre o seu comprimento inteiro. Estas conexões podem ser tiras que conectam os canais entre a sua distância mais curta mas estas podem também ser uma chapa que estende ao longo de uma superfície do painel e unida nos canais sobre parte do total dos comprimentos dos canais. A largura destas fitas assim será igual à distância entre os canais adjacentes. Para conseguir um transporte de calor eficiente através das fitas para os ou dos canais, a largura das fitas geralmente será menor do que o maior diâmetro de canal e de preferência menor do que 50% ou até 25% de seu diâmetro. Uma largura adequada alcança até 4 cm; de preferência a largura é de 3 cm ou menos. As conexões também promovem uma troca de calor entre os canais, minimizando ainda mais as tensões térmicas no painel. O painel em suas dimensões diferentes da dita primeira dimensão pode ter qualquer forma que possa ser construída com filas de canais. Exemplos práticos de tais formas são os retângulos, os paralelogramos, e os trapézios. Para aplicação em um alojamento de reator em forma de caixa ou de cilindro uma forma substancialmente retangular é a mais prática, em que os canais correm substancialmente paralelos. Quando os painéis devem ser incorporados em uma parte tronco-cônica de um alojamento de reator, uma forma trapezoidal é a mais prática. Em tal painel os canais correrão sob um ângulo um em relação ao outro. O painel de acordo com a invenção pode ser construído de forma simples e dispendiosa, por exemplo, de elementos básicos como tubos, placas dobradas, conexões, chapas e técnicas de construção comumente conhecidas como soldagem, juntas de parafuso e outras.

Em uma modalidade preferida, o painel de reator de acordo com a invenção está composto de uma primeira e uma segunda placa paralela, contornadas por um primeiro par de bordas externas substancialmente paralelas e um segundo par de bordas externas que conecta as bordas do primeiro par, em que pelo menos a primeira placa compreende tiras de cone- xão planas e rebaixos de canal alternados que têm uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída, as tiras e rebaixos correndo normais ao primeiro par de bordas, em que as placas são unidas juntas 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 faceante da segunda placa em canais, o painel ainda compreendendo um coletor de alimentação e um coletor de produto ambos correndo substancialmente paralelos com o primeiro par de bordas, o coletor de alimentação estando conectado com as extremidades de entrada dos canais e o coletor de produto estando conectado com as extremidades de saída dos canais. O coletor de alimentação e de produto pode ser formado também como uma combinação de um rebaixo em uma ou ambas as placas e a parte faceante dos rebaixos de segunda placa.

Neste caso, pelo menos a primeira placa tem um rebaixo de coletor de alimentação que corre substancialmente paralelo a uma primeira borda do primeiro par e diretamente ao longo da dita primeira borda ou separado desta por uma primeira tira de borda plana e um rebaixo de coletor de produto que corre substancialmente paralelo a uma segunda borda do primeiro par oposta à primeira borda e diretamente ao longo da dita segunda borda ou separado desta por uma segunda tira de borda plana, em que as placas são unidas juntas nas tiras de borda, nas tiras de conexão e ao longo das bordas externas, combinando o rebaixo de alimentação, o rebaixo de produto e os rebaixos de canal da primeira placa em um coletor de alimentação, e os canais respectivos de coletor de produto com a parte faceante da segunda placa.

Esta modalidade tem a vantagem que somente as partes destacáveis precisam estar presentes como um elemento separado do painel.

Em outra modalidade, pelo menos um do coletor de alimentação e do coletor de produto como um elemento separado está conectado na extremidade correspondente dos canais.

Esta modalidade tem a vantagem de que a acessibilidade da extremidade de entrada e de saída de canal é mais versátil e o posiciona- mento e a remoção de peneiras de catalisador e de placas de distribuição de alimentação podem ser mais fáceis.

Este painel pode ser construído facilmente e com alta versatilidade por técnicas conhecidas, por exemplo, para fabricar painéis de radiador de aquecimento central ou na indústria automotiva. A formação de placas metálicas em uma forma e perfil desejados por, por exemplo, prensagem a quente permite produzir placas que têm padrões de forma e de perfil complexos. Em outro processo adequado para construir este painel, conhecido como prensagem hidráulica a frio, duas placas planas são soldadas juntas na posição das bordas e todas as outras posições onde as placas devem ser conectadas no painel a ser formado e aplicar uma pressão hidráulica entre as duas placas de modo a expandir as partes não soldadas nos canais e coletores requeridos.

De preferência, uma tira de borda plana ao longo de cada uma das bordas do segundo par está presente para um enrijecimento mais seguro do painel ao longo desta borda.

As juntas de painel devem ser estanques ao gás e ao líquido além das conexões para a linha de alimentação e de produto. Também, a conexão entre as tiras planas de uma placa com a placa oposta deve ser estanque ao gás e ao líquido, assim provendo canais fechados ao longo de seu comprimento. Como um todo, o painel deve ser estanque ao gás e ao líquido além das conexões para a linha de alimentação e de produto. Este requisito aplica-se a qualquer painel de acordo com a invenção, seja este construído de peças únicas ou de duas placas paralelas. O painel de acordo com esta modalidade basicamente consiste em duas placas metálicas conectadas ajustadas, por exemplo por soldagem ou unindo-as com parafusos, sobre pelo menos parte de sua área de superfície. Deste modo os rebaixos em uma placa são fechados do ambiente pela parte faceante oposta da outra, assim formando os canais e coletores requeridos e em uma modalidade também consiste em um ou mais coletores separados.

Pelo menos uma das placas possui a forma necessária, a outra pode ser plana mas de preferência ambas as placas possuem uma forma similar em um padrão cooperante. Em um primeiro e preferido exemplo de tal padrão cooperante ambas as placas têm os ditos rebaixos e tiras em posições espelhadas, em que os rebaixos e as tiras de uma placa faceiam os rebaixos e tiras espelhados da outra placa.

Especificamente, a profundidade dos rebaixos espelhados nas duas placas pode ser diferente.

Como um segundo exemplo do padrão cooperante, os coletores de alimentação e de produto estão em uma posição espelhada, enquanto que as tiras planas e os rebaixos de reação alternados estão em posições espelhadas escalonadas, de modo que um rebaixo de reação de uma placa faceie uma tira plana da outra e vice-versa. Neste caso a largura das tiras planas de preferência é maior do que a largura dos rebaixos. Então, pelo menos parte das tiras planas de uma placa ao longo de seu comprimento está em contato com as tiras planas da placa oposta, assim provendo uma área de separação entre os canais formados pelos rebaixos de canal. Neste modalidade o painel contém duas filas paralelas de canais.

No painel composto das duas placas os espaços vazios necessários, isto é, os canais e os coletores estão presentes. Nesta aspecto o coletor de alimentação está formado como a combinação de um rebaixo de alimentação de uma placa e o rebaixo de alimentação espelhado da outra placa. O mesmo vale para o coletor de produto.

Os rebaixos de alimentação e de produto podem estar presentes como rebaixos separados que se conectam nos rebaixos de canal. Estes podem também consistir em uma, possivelmente menos profunda, parte de extremidade dos rebaixos de canal e um rebaixo da mesma profundidade presente nas extremidades das tiras planas e estendendo além delas, assim formando um rebaixo contínuo que estende ao longo das bordas do primeiro par. De preferência, as bordas do rebaixo contínuo então foram dobradas para dentro ou para fora para formar um flange sobre o qual uma peça destacável é montada para permitir acesso aos canais. A aplicação da mesma construção por sobre as extremidades dos rebaixos de canal e tiras de conexão permite uma montagem segura de coletores de alimentação e/ou de produto separados.

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 plana ou outra parte plana daquela outra placa.

Os canais estão destinados a serem cheios com partículas de catalisador de tal modo que os espaços vazios que correm ao longo de todo o comprimento do canal sejam evitados tanto quanto possível. Assim, o fluido que entra nos canais na extremidade de entrada é impedido de alcançar a extremidade de saída sem ter ficado suficientemente em contato com o catalisador e permanecer não reagido. Apesar da seção transversal dos canais poder ter qualquer forma, pela razão acima a seção transversal dos canais de preferência tem uma forma lisa e regular sem ângulos agudos. Exemplos de tais formas são as formas circulares, elípticas ou poligonais com bordas arredondadas.

Uma vantagem adicional do painel de acordo com a invenção é que diferentes formas podem estar presentes em um painel, especificamente no painel que é composto de duas placas. A forma da seção transversal dos canais pode ser a mesma ao longo do comprimento do canal, mas é também possível que a sua forma varie ao longo do comprimento do canal. Como um exemplo disto a seção transversal de um canal pode ser tronco-cônica em uma ou duas dimensões.

Os painéis estão destinados para aplicação em reatores químicos e as reações químicas serão conduzidas dentro dos canais. Os elementos de construção que formam os painéis assim devem consistir em materiais que correspondem às reações e às condições de processo e componentes aos quais estes estarão expostos. Os materiais conhecidos para utilização em condições de reação química são os metais, as ligas metálicas e os materiais cerâmicos. É também conhecido na técnica aplicar camadas de revestimento protetor. Uma pessoa versada na técnica será capaz de selecionar os materiais apropriados em vista do uso pretendido. De preferência, o material mostra uma condutividade de calor suficiente.

As dimensões dos painéis são principalmente determinadas pelo comprimento e o número de canais. Estes valores podem variar amplamente, dependendo do tipo de reação, da capacidade de produto, do tamanho e tipo de catalisador para o qual este está destinado. Como uma grande vantagem do painel é o seu caráter modular, uma rede de painéis pode ser de um tamanho consideravelmente menor do que um único feixe de tubos multi-tubulares necessários em um reator para a mesma reação e que tem a mesma capacidade de produção. A área de seção transversal dos canais dependerá do tipo de catalisador e de reação. Quanto mais exotérmicas ou endotérmicas as corridas de reação, menor esta área precisará ser para evitar um perfil de reação não homogêneo, especificamente os grandes gradientes de temperatura radial, no leito de catalisador e assegurar um transporte de calor suficiente do leito de catalisador para as paredes de canal ou das mesmas. Na prática a dita área fica entre 5 e 300 cm2. De preferência, a área é menor do que 200, 100 ou até 50 cm2.

Mais crítica do que a área dos canais é a menor dimensão linear de uma seção transversal dos canais. De preferência, a distância linear mais curta de qualquer ponto da área de seção transversal de canal até a parede de canal é no máximo 3,5 cm. Mais de preferência esta distância é no máximo 2,5 cm. A forma dos canais pode ser circular, elipsoidal ou outra forma lisa e regular sem bordas agudas.

Os canais não devem ter uma forma muito achatada de modo a permitir o fluxo desejado dentro deste. Para este fim, como uma regra prática, a mais longa de todas as distâncias lineares mais curtas devem de preferência ser pelo menos 1 cm quando um catalisador sólido é utilizado e pelo menos 2 mm quando um catalisador gasoso é utilizado. O comprimento dos canais pode variar dentro de amplos limites, o comprimento superior potencialmente sendo restrito pela queda de pressão ao longo do comprimento do canal. Esta queda de pressão pode também depender do tipo e da densidade do leito de catalisador. Os comprimen- tos adequados variarão de 0,5 até 10 metros. A espessura de parede dos canais, esta espessura sendo a espessura das placas no caso do painel ser construído de duas placas paralelas, será suficiente para suportar as forças mecânicas exercida sobre esta, por exemplo, por diferenças de pressão, gravidade ou atividades de montagem. Na extremidade mais alta a espessura será praticamente limitada para os painéis de acordo com a invenção compostos de duas placas paralelas pelo requisito que as placas devem ser formáveis por técnicas usuais. Uma espessura prática pode variar de 0,5 a 5 mm.

Correspondentemente a dimensão do painel será determinada pela soma das dimensões das partes componentes. Como um exemplo, esta dimensão na direção do comprimento dos canais será pelo menos igual ao comprimento dos canais mais a altura do coletor de alimentação e de produto nesta direção. Também, a espessura do painel sendo a sua dimensão normal à direção do comprimento dos canais será pelo menos igual ao diâmetro do canal naquela direção mais a espessura de parede do canal e a espessura de quaisquer chapas sobre a superfície externa. A invenção ainda refere-se a um reator que compreende um alojamento que contém um ou mais painéis de reator de acordo com a invenção como aqui acima descrita, o reator ainda compreendendo uma linha de alimentação e uma linha de produto, os painéis sendo conectados na linha de alimentação e na linha de produto. O reator de acordo com a invenção, especificamente um reator para conduzir os processos catalíticos heterogêneos, assim compreende um número de painéis de reator em vez de um único feixe de tubos enorme. Assim, a mesma capacidade de produção do reator é conseguida em um modo modular combinando o número apropriado de painéis adequadamente dimensionados.

Um reator de acordo com a invenção que tem a mesma capacidade de produção que um que contém um único feixe de tubos conterá um número de painéis, cada painel sendo consideravelmente menor e mais leve do que o único feixe de tubos. Estes painéis são muito mais fáceis de mani- pular e é mais fácil manter o reator de acordo com a invenção do que um reator convencional. Durante a manutenção nenhum feixe de tubos pesado e volumoso precisa ser içado do reator. Aumentar a capacidade do reator não requer conectar mais e mais tubos nas mesmas placas inferior e superior, mas pode ser simplesmente conseguido adicionando mais ou outros tipos de painéis.

Também, o reator de acordo com a invenção oferece uma grande versatilidade com relação às propriedades de troca de calor. A posição relativa e a distância dos painéis podem ser livremente escolhida permitindo criar um fluxo de troca de calor projetado e eficiente através de canais e padrões. Em contraste em um reator que compreende um único feixe de tubos a distribuição dos tubos sobre o feixe é fixa e não pode ser livremente escolhida ou facilmente adaptada. O reator de acordo com a invenção pode ser aplicado para processos de reação contínuos e em lotes.

Como uma vantagem adicional do reator de acordo com a invenção, no caso de falha de canal, vazamento ou outros incidentes, somente o painel envolvido precisa ser removido do reator e substituído ou apenas cortado antes que a produção possa ser reiniciada. O reparo ou o reenchi-mento pode ser feito por painel fora de linha enquanto a produção é continuada. No reator conhecido que compreende um único feixe de tubos a produção é desligada até que o reparo seja acabado.

Os painéis estão conectados a uma linha de alimentação, para o suprimento de reagentes, e a uma linha de produto, para a remoção de produtos de reação. Esta conexão pode ser feita através da conexão àquelas linhas presentes nos painéis de acordo com a invenção. Fazer tais conexões é uma rotina no campo de tecnologia de reator. Os diferentes painéis, por exemplo, podem ser conectados a um coletor ou distribuidor de alimentação dentro ou fora do alojamento de reator, cujo coletor ou distribuidor por sua vez está conectado a uma linha de alimentação comum, provendo a alimentação requerida de um armazenamento de alimentação externo ou outra capacidade de alimentação. O coletor ou as linhas de conexão individuais se- rão de preferência dimensionados, por exemplo, por seus diâmetros, apropriadamente de modo a assegurar uma distribuição uniforme da alimentação que entra sobre os painéis. Também de preferência a conexão do painel para a linha de alimentação é flexível no sentido que as diferenças em expansão térmica entre os painéis e a conexão para a linha de alimentação podem ser absorvidas minimizando as tensões. Os elementos construtivos para conseguir esta flexibilidade são conhecidos na técnica e como exemplo pode ser mencionado que a linha de alimentação contém uma parte de tubo de rabo de porco ou uma parte de conexão em forma de fole. A distribuição de alimentação homogênea sobre os canais de cada painel é controlada pela queda de pressão dentro de cada canal. De preferência a extremidade de entrada de cada tubo de catalisador está provida com um meio de restrição de fluxo adequado para impor uma queda de pressão quase crítica sobre um fluxo de alimentação que entra no tubo. Isto assegura uma taxa de fluxo de alimentação constante para os canais, mesmo quando os canais não têm exatamente a mesma queda de pressão. A diferença em queda de pressão pode ocorrer devido a diferenças em enchimento ou compactação de catalisador dentro de faixas consideráveis e também pode ocorrer durante a operação por acúmulo 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%, de preferência pelo menos 70, mais de preferência pelo menos 80% da velocidade de fluxo crítica. A queda de pressão do coletor de alimentação para os canais pode ser controlada limitando a área da entrada dos canais. Usualmente os painéis serão montados verticalmente dentro de um reator e uma peneira estará presente no lado inferior para reter o catalisador. Se a alimentação deve ser inserida em um lado superior, pode estar presente naquele lado superior então uma plaqueta que fecha a extremidade de entrada e que tem um ou mais orifícios de tamanho adequado para conseguir a queda de pressão desejada. Tal plaqueta pode ter um túbulo aberto que estende da plaqueta para baixo para dentro do canal. Se a alimentação deve ser inserida no lado inferior a peneira para reter o catalisador pode ter orifícios em um número e tamanho adequados juntamente tendo a área de entrada desejada para a alimentação para conseguir a queda de pressão desejada. Alternativamente, em combinação com tal peneira, dimensionada então para apenas reter o catalisador, pode estar adicionalmente presente na extremidade de entrada inferior dos canais uma plaqueta que fecha a extremidade de entrada e que tem um ou mais orifícios de tamanho adequado. Tal plaqueta pode ter um túbulo aberto que estende da plaqueta para baixo para dentro do canal. É também possível fechar a entrada dos canais somente com uma plaqueta que tem um túbulo que funciona ao mesmo tempo como um dispositivo para reter o catalisador dentro do canal e determinar o fluxo de alimentação para dentro do canal. O cálculo do número e do tamanho apropriado dos furos é direto para pessoa versada na tecnologia de dados de entrada tais como a pressão dentro do coletor de alimentação, o número de canais, a pressão desejada sobre os canais e o comprimento dos canais. De preferência qualquer plaqueta está montada em um modo destacável para permitir enchimento e esvaziamento mais fáceis dos canais.

Os painéis estão ainda conectados a uma linha de produto para coletar e trazer o produto formado para fora do reator para um processamento adicional.

Os painéis usualmente estarão verticalmente posicionados dentro do reator. Os canais então correm substancialmente verticalmente e os coletores correrão essencialmente horizontalmente. Os painéis usualmente serão dispostos em paralelo a uma distância uns dos outros. Esta distância pode depender do regime de troca de calor projetado e pode variar entre 1 mm e 3 cm. Distâncias maiores são possíveis mas se mostraram menos eficientes para a troca de calor e também requerem um maior fluxo de gás de troca de calor. A distância entre os painéis aqui pretendida é a distância normal mais curta entre dois painéis paralelos adjacentes, medida entre o canal de um painel até a parte, canal, coletor ou tira oposta, do painel adjacente.

Em todas as modalidades do painel é vantajoso quando pelo menos um do coletor de produto e de alimentação se estende fora dos canais em uma direção normal aos lados planos do painel. Neste caso a dis- tância entre os painéis adjacentes é menor nos coletores do que nos canais. Isto introduz uma restrição de pressão para o meio de aquecimento que entra entre os painéis adjacentes que promove uma distribuição mais uniforme do meio de aquecimento sobre a fila de painéis dentro do reator.

Os painéis podem ser montados dentro do reator suportados por mais de preferência não fixos a elementos construtivos do alojamento. De preferência os painéis quando contraindo ou expandindo podem mover com relação ao alojamento. Isto evita a ocorrência de tensões térmicas entre os painéis e o alojamento.

De preferência os painéis estão suspensos somente suportados na sua extremidade mais alta. Isto permite que a expansão ou a contração térmica dos painéis cause somente tensões mínimas prolongando a vida operacional e a confiabilidade dos painéis e assim do reator como um todo. O alojamento do reator protege o volume de reator interno do ambiente e terá as propriedades normais e conhecidas de um alojamento de reator adaptado para a reação governante e as condições de troca de calor. A parte interna do reator está somente aberta para uma tubulação de entrada e saída controlada para suprir e descarregar a alimentação, o produto, o meio de troca de calor e outras utilidades usuais conhecidas para operar um reator.

Entre o alojamento e os painéis de reator proteções de calor podem estar presentes. Isto é para impedir que os painéis externos que facei-am o alojamento sejam irradiados pelo alojamento que será também aquecido ou resfriado pelo meio de troca. Isto faria com que os painéis externos fossem mais aquecidos ou resfriados do que os painéis internos. No caso de superaquecimento isto poderia até levar à formação de coque dentro dos canais do painel externo. Estas proteções podem, por exemplo, ser placas resfriadas ou aquecidas. Estas também podem ser painéis de reator de acordo com a invenção, mas não sendo cheias com catalisador, o meio de troca de calor fluindo através dos canais. O reator ainda compreende um meio para transportar um meio de aquecimento ou um refrigerante ao longo dos painéis.

Como mo meio de troca de calor gases ou líquidos aquecidos ou resfriados podem ser utilizados, por exemplo, vapor e gases de descarga são meios de troca de calor adequados. A direção de fluxo do meio de troca de calor pode ser contra a corrente, a favor da corrente ou em fluxo cruzado com a direção de fluxo da extremidade de entrada de alimentação dos canais para a sua extremidade de saída de produto. Defletores podem estar presentes para guiar o fluxo mas não são necessários no reator de acordo com a invenção.

Dentro do reator dois painéis adjacentes podem estar conectados ao longo do comprimento das bordas do segundo par por uma tira que permite um movimento relativo dos painéis, formando um painel duplo. A tira pode, por exemplo, ser dobrada ou ter uma forma de ziguezague ou de fole. Assim, um espaço aberto na sua extremidade superior e inferior está formado entre os dois painéis conectados. Um reator que contém tais painéis duplos conectados compreende um número de espaços que podem ser separadamente conectados a um primeiro meio de troca de calor que está somente em contato com as superfícies de painel duplo que faceiam uma à outra. As outras superfícies de painel então podem ser contactadas com um meio de troca de calor diferente do dito primeiro meio em composição e/ou outras propriedades. Isto permite uma sintonia adicional do regime de troca de calor dentro do reator. Se o primeiro meio de troca de calor for o vapor este pode ser, após ter fluído ao longo das superfícies, misturado com a alimentação para preaquecê-la.

Ainda, o reator será suprido das provisões e utilidades adicionais requeridas, como conhecido na técnica, para explorar confiavelmente, seguramente e eficientemente este tipo de reatores.

Os canais dos painéis podem conter o catalisador adequado para a reação prevista ser conduzida no reator. O catalisador pode estar presente como partículas mas também como um revestimento sobre a parede dos canais. Neste caso os canais devem ser estreitos, especificamente a maior dimensão radial do canal deve ficar entre 5 mm e 10 cm. Maiores dimensões são possíveis mas podem ser menos eficientes devido à razão desfavorável do volume de canal de reator e a sua superfície revestida de catalisador. O reator é especificamente adequado para conduzir reações onde a troca de calor produzida pela reação ou necessária para a mesma é requerida. Especificamente as reações catalíticas heterogêneas podem ser conduzidas dentro do reator de acordo com a invenção eficientemente e com grande versatilidade. De preferência o catalisador está presente dentro dos canais como um leito fixo. O catalisador de preferência está em uma forma particulada. O tamanho adequado do catalisador em relação à menor dimensão radial dos canais é de conhecimento comum no campo de reatores catalíticos. Como uma regra de polegar o tamanho de partícula do catalisador será menor do que 0,1 vezes o diâmetro de canal. Maiores diâmetros são possíveis mas então o risco de vazamento de reagente entre a parede de canal e o leito de catalisador pode ocorrer.

Em vista do acima a invenção também refere-se à utilização do reator de acordo com a invenção para conduzir uma reação catalítica heterogênea exotérmica ou endotérmica.

Exemplos de tais reações químicas incluem a oxidação parcial de, por exemplo, etileno, xileno, naftaleno, propeno, acriloína, metanol e eta-nol, a alquilação de, por exemplo, benzeno com etileno ou propileno, desi-drogenação de, por exemplo, alcanos C2-C8, etilbenzeno ou ciclo-hexanol, reações de (des)hidratação, reações de hidroformilação e reações de oxiclo-ração. A invenção será adicionalmente elucidada pelos desenhos ilustrativos seguintes, sem ser restrita a estes.

Nestes desenhos: figura 1 é uma vista frontal de um painel de acordo com a invenção, construído de elementos separados; figura 2 é um corte transversal deste painel ao longo da linha A-A; figura 3 é uma vista de topo deste painel que tem a sua abertura destravada; na figura 4, as figuras 4a-d mostram uma vista frontal de seções de painel que mostram várias modalidades de canais adjacentes não conectados e mecanicamente e termicamente conectados; na figura 4, as figuras 5a-5d mostram um corte transversal das figuras 4a-4d ao longo da linha B-B; figura 6 mostra um número de formas de seção transversal de canal adequadas; figura 7 é uma vista frontal de um painel retangular de acordo com a invenção construído de duas placas paralelas; figura 8 é um corte transversal do painel da figura 7 ao longo da linha C-C; figura 9 é um corte transversal do painel da figura 7 ao longo da linha D-D;

Na figura 10, as figuras 10a-10d mostram cortes transversais normais à direção de comprimento dos canais para diferentes combinações de placas paralelas; e figura 11 é uma vista em elevação de um reator de acordo com a invenção.

Note-se que nos desenhos o canal de alimentação está no lado superior dos painéis mas no painel e no reator de acordo com a invenção é também possível ter este lado de alimentação no fundo dos painéis.

Na figura 1 um painel 1 está mostrado, que consiste em tubos 3 como canais, cada canal conectado no coletor de alimentação 5 e no coletor de produto 7. O coletor de alimentação 5 tem uma conexão 9 a ser conectada a uma linha de alimentação. O coletor de produto 7 tem uma conexão 11 a ser conectada a uma linha de produto.

Na figura 2 o canal 3 comunica através de um orifício 13 na pla-queta 15, posicionada na extremidade de entrada do canal 3, com o coletor de alimentação 5. Através da peneira de retenção de catalisador 17 o canal 3 comunica com o coletor de produto 7. A abertura 19 no topo do coletor de alimentação 5 está travada com uma peça ou tampa destacável 21.

Na figura 3 a abertura 19 no coletor de alimentação 5 está des- travada (tampa removida) e é vista estender sobre quase todo o seu comprimento e dando acesso aos canais 3.

Na figura 4a, os canais 3 estão desconectados. Na figura 4b os canais 3a-3d estão conectados dois a dois por tiras planas separadas 23 para melhorar a rigidez mecânica do painel e as propriedades de troca térmica. Com um efeito similar mas melhorado na figura 4c os canais 3e a 3h estão conectados a cada canal adjacente com uma tira plana 25 estendendo ao longo do comprimento dos canais. Na figura 4d parte de uma chapa plana 27 está mostrada, conectada nos canais 3 que esta cobre.

Nas figuras 5a-5d os canais 3 estão desconectados, respectivamente conectados com as suas partes centrais por tiras 23 e 25 e uma chapa plana 27.

Na figura 6 várias formas de seção transversal de canal adequadas dos canais 3 estão mostradas. Os canais adjacentes estão conectados por tiras planas 25.

Na figura 7 um painel 29 está mostrado, que consiste em uma placa dianteira 31 e (não visível) uma placa traseira espelhada 33. Os canais 3 e as tiras de canal 35 correm do coletor de alimentação 5, correndo para o coletor de produto 7. O limite mais superior do coletor de alimentação 5 forma uma primeira borda do primeiro par de bordas externas e o limite mais inferior do coletor de produto 7 forma a segunda borda deste primeiro par. O painel 29 também tem uma conexão 9 a ser conectada a uma linha de alimentação e uma conexão 11 a ser conectada a uma linha de produto. Este tem também protuberâncias de suporte 37 conectadas no coletor de alimentação 5.

Na figura 8 tiras de canal planas de placas 31 e 33 estão unidas juntas e mecanicamente, mas estanques ao gás e ao líquido, conectam o coletor de alimentação 5 com o coletor de produto 7. O coletor de alimentação 5 e o coletor de produto 7 são elementos separados conectados a tiras dobradas para fora 39 de placas 31 e 33. O coletor de alimentação está fechado com a tampa 21.

Na figura 9 rebaixos espelhados 41 de placas 31 e 33 formam um canal 3. Este canal 3 comunica através do orifício 13 na plaqueta 15, posicionada na extremidade de entrada do canal 3, com o coletor de alimentação 5. Através da peneira de retenção de catalisador 17 o canal 3 comunica com o coletor de produto 7. A abertura 19 no topo do coletor de alimentação 5 está travada com a tampa 21. O orifício 13 e a peneira 17 permitem que o gás ou o líquido mova do coletor de alimentação 5 para o coletor de produto 7.

Na figura 10a a placa 31 tem rebaixos de canal 41 e tiras de canal planas 35 alternados enquanto que a placa oposta 33 é plana. Na figura 10b ambas as placas 31 e 33 têm rebaixos de canal 41, em ambas as placas de mesma profundidade, e tiras de canal planas 25 em uma posição espelhada. A figura 10c é como a figura 10b, a única diferença sendo que o rebaixo de canal 35 na placa 31 é mais profundo do que aqueles da placa 33. Na figura 10d também ambas as placas 31 e 33 têm rebaixos de canal 41 mas agora em uma posição espelhada escalonada e tiras de canal planas 35 entre os rebaixos. Em todos os casos 10a-10d as placas ligadas juntas formam os canais 3. Em todas as figuras uma tira de borda plana está presente nas extremidades das placas 31 e 33.

Na figura 11, 45 é um reator que tem um alojamento 47 e que contém uma fila de painéis de reator 29 como mostrado na figura 7. As conexões de alimentação 9 estão conectadas no coletor de alimentação flexível 49 que termina na linha de alimentação 51. As conexões de produto 11 estão conectadas no coletor de produto flexível 53 que termina na linha de produto 55. A linha de alimentação 51 e a linha de produto 55 podem estar conectadas a um meio de armazenamento para alimentação e produto (aqui não mostrado).

Os painéis 29 apoiam com as suas protuberâncias de suporte 37 sobre vigas 57 e 59, as quais formam parte do alojamento 47 do reator 45, sem estarem fixas a este. Além deste suporte no topo os painéis 29 estão suspensos livres dentro do reator.

REIVINDICAÇÕES

Claims (15)

1. Painel de reator modular (1) para processos catalíticos, que compreende um coletor de alimentação (5), um coletor de produto (7) e canais (3) adjacentes, cada canal (3) tendo um comprimento, que corre de uma extremidade de entrada para uma extremidade de saída, e caracterizado pelo fato de que as extremidades de entrada estão conectadas diretamente no coletor de alimentação (5) e abrem para dentro do mesmo e as extremidades de saída estão conectadas diretamente no coletor de produto (7) e abrem para dentro do mesmo e em que o coletor de alimentação (5) tem pelo menos uma conexão (9) a uma linha de alimentação (51) e o coletor de produto (7) tem pelo menos uma conexão a uma linha de produto (55) e em que uma parte (21) de pelo menos um do coletor de alimentação (5) e do coletor de produto (7) é destacável, dando acesso às extremidades de canal.

2. Painel de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os canais (3) estão dispostos no máximo em duas filas, cada fila definindo um plano reto ou curvo (31), os planos correndo substancialmente paralelos.

3. Painel de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o painel (3) é retangular e os canais correm substancialmente paralelos.

4. Painel de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma da extremidade de entrada e de saída de cada canal (3) está terminada com um material de peneira (17).

5. Painel de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que cada canal (3) está conectado sobre pelo menos parte do seu comprimento a seus canais adjacentes.

6. Painel de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que é composto de uma primeira (31, 33) e uma segunda placa paralela (33, 31), contornadas por um primeiro par de bordas externas substancialmente paralelas e um segundo par de bordas externas que conecta as bordas do primeiro par, em que pelo menos a primeira placa (31, 33) compreende tiras de conexão planas (35) e rebaixos de canal (41) alternados que têm uma extremidade de entrada e uma extremidade de saída, as tiras (35) e rebaixos (41) correndo normais ao primeiro par de bordas, em que as placas são unidas juntas pelo menos ao longo do segundo par de bordas externas e as tiras de conexão (35), combinando os rebaixos de canal (41) da primeira placa (31, 33) e a parte faceante da segunda placa (33, 31) em canais (3), o painel ainda compreendendo um coletor de alimentação (5) e um coletor de produto (7), ambos correndo substancialmente paralelos com o primeiro par de bordas, o coletor de alimentação (5) estando conectado com as extremidades de entrada dos canais (3) e o coletor de produto (7) estando conectado com as extremidades de saída dos canais (3).

7. Painel de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos a primeira placa (31, 33) tem um rebaixo de coletor de alimentação que corre substancialmente paralelo a uma primeira borda do primeiro par e diretamente ao longo da dita primeira borda ou separado desta por uma primeira tira de borda plana e um rebaixo de coletor de produto que corre substancialmente paralelo a uma segunda borda do primeiro par oposta à primeira borda e diretamente ao longo da dita segunda borda ou separado desta por uma segunda tira de borda plana, em que as placas são unidas juntas nas tiras de borda, nas tiras de conexão e ao longo das bordas externas, combinando o rebaixo de alimentação, o rebaixo de produto e os rebaixos de canal da primeira placa em um coletor de alimentação (5), e os respectivos canais (3) de coletor de produto (7) com a parte faceante da segunda placa (33, 31).

8. Painel de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que pelo menos um do coletor de alimentação (5) e do coletor de produto (7) como um elemento separado está conectado na extremidade correspondente dos canais (3).

9. Painel de acordo com as reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que ambas as placas (31, 33) têm os ditos rebaixos (41) e tiras (35) em posições espelhadas, em que os rebaixos e as tiras de uma placa faceiam os rebaixos e tiras espelhados da outra placa.

10. Reator que compreende um alojamento (47) que contém um ou mais painéis de reator (1, 29) como definidos em qualquer uma das reivindicações 1 a 9, o reator caracterizado pelo fato de que ainda compreendendo uma linha de alimentação (51) e uma linha de produto (55), os painéis (29) sendo conectados na linha de alimentação (51) e na linha de produto (55).

11. Reator de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um meio para transportar um meio de aquecimento ou um refrigerante ao longo dos painéis.

12. Reator de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que substancialmente todos os canais (3) dos painéis contêm um catalisador.

13. Reator de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o catalisador está presente dentro dos canais (3) como um leito fixo.

14. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de que um meio de proteção de calor está presente entre o alojamento e os painéis de reator.

15. Utilização do reator como definido em qualquer uma das reivindicações 10 a 14, caracterizado pelo fato de ser usado para conduzir uma reação catalítica heterogênea exotérmica ou endotérmica.