BRPI0902190B1 - Reactor of treatment or hydrotrating with a granular layer, as a essentially liquid phase and an essentially gasous phase through that layer - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REATOR DE TRATAMENTO OU DE HIDROTRATAMENTO COM UMA CAMADA GRA-NULAR, ASSIM COMO UMA FASE ESSENCIALMENTE LÍQUIDA E UMA FASE ESSENCIALMENTE GASOSA QUE ATRAVESSA ESSA CAMADA". A presente invenção refere-se a um reator, compreendendo um dispositivo de distribuição de pelo menos uma fase gasosa e pelo menos uma fase líquida circulando em escoamento à co-corrente ascendente nesse reator. A invenção refere-se notadamente a um reator com esse dispositivo que é colocado a montante de uma zona reacional ou de contato gás/líquido que pode ser composta de uma camada granular de partículas sólidas, eventualmente catalíticas. A invenção refere-se mais particularmente a um reator de tratamento ou de hidrotratamento de uma carga fluida, como para o tratamento catalítico de destilados oriundos dos brutos de petróleo pesado. É amplamente conhecido que, no tipo de reator com uma camada catalítica fixa, é necessário distribuir, de uma forma a mais homogênea possível, não somente a fase gasosa, mas também a fase líquida. É também necessário assegurar uma repartição a mais igual e a mais uniforme possível dessas duas fases ao longo da seção frontal desse reator para otimizar o contato gás-líquido no reator e para fazer funcionar as diferentes zonas desse reator de maneira sensivelmente idêntica.

Como é conhecido pelo documento US 3 441 418, essa repartição pode ser feita por um prato distribuidor equipado com chaminés verticais e de perfurações cuja finalidade é de obter uma distribuição sensivelmente uniforme da fase gasosa e da fase líquida por toda a seção de um reator o mais frequentemente de forma cilíndrica.

Esse tipo de prato distribuidor permite assim distribuir a fase gasosa pelas perfurações do prato e a fase líquida pelas chaminés.

Também na patente US 6 123 323, é descrito um dispositivo de distribuição utilizável em escoamento ascendente em um reator alimentado por uma mistura de líquido e de gás.

Esse dispositivo é composto de um prato distribuidor que ocupa o total ou parte da seção total do reator, delimitando um volume no qual o gás e o líquido vão se separar. O gás escoa, em seguida, através de orifícios repartidos sobre toda a seção do prato. O líquido escoa de forma separada através de chaminés verticais que atravessam o prato e prolongando-se embaixo da interface líquido/gás ou através das frações da seção do reator não abrangidas pela placa.

Esse reator, que compreende uma alimentação com gás e com líquido por um conduto situado no fundo de compartimento, é tecnicamente interessante, mas apresenta, todavia, inconvenientes não desprezíveis.

Com efeito, o funcionamento não é otimizado, pois o gás se dispersa mal sobre a seção transversal e uma parte desse gás sobe geralmente ao centro desta. Isto perturba a interface gás - líquido sob o prato distribuidor e acarreta má repartição do gás sob o prato.

Além disso, o gás pode eventualmente penetrar no interior das chaminés de maneira não desejável. No caso de parte de gás, ele seguirá uma má distribuição de gás com uma presença mais importante na zona central do prato.

Além disso, a saída do gás vai, portanto, criar perturbações consideráveis que podem induzir pulsações do escoamento e desequilibrar localmente a distribuição do gás. A presente invenção se propõe a prevenir os inconvenientes pré-citados, graças a um reator com camada catalítica, compreendendo um prato distribuidor que permite conseguir uma distribuição da fase gasosa regularmente repartida ao longo da seção do reator e não vindo incomodar a distribuição da fase líquida, mesmo em caso de perturbação da interface gás-líquido.

Para isso, a presente invenção refere-se a um reator de tratamento ou de hidrotratamento, compreendendo pelo menos uma camada de proteção, uma fase essencialmente líquida e uma fase essencialmente gasosa presentes no fundo do reator sendo separadas por uma interface, e um prato distribuidor com pelo menos uma chaminé principal, permitindo a circu- lação da fase líquida em direção da camada e pelo menos uma passagem para a introdução da fase gasosa nessa camada, caracterizado pelo fato de o prato sustentar, além disso, pelo menos uma chaminé mista para a circulação da fase líquida em direção da camada e para a introdução da fase gasosa nessa camada. A chaminé mista pode compreender uma altura menor do que a altura da chaminé principal e maior que a altura da passagem. A chaminé mista pode compreender uma seção de travessia de fluido menor do que a seção da travessia de fluido da chaminé principal. A chaminé mista pode ser uma tubulação aberta em suas duas extremidades e sua seção de travessia de fluido pode ser a seção diametral dessa tubulação. A chaminé mista pode ser uma tubulação aberta em suas duas extremidades e sua seção de travessia de fluido pode ser uma restrição da seção diametral dessa chaminé mista. A restrição pode ser uma arruela alargada colocada em uma das extremidades da chaminé mista. A chaminé mista pode ser uma tubulação fechada em sua extremidade inferior e a seção de travessia dessa chaminé pode ser pelo menos um orifício aberto na parede periférica dessa chaminé. A chaminé principal pode ser alojada coaxialmente em um orifício sustentado por esse prato e de dimensão diametral superior àquela dessa chaminé.

Uma chaminé mista pode ser colocada entre a chaminé principal e o orifício e coaxialmente a estes.

As outras características e vantagens da invenção vão aparecer na leitura da descrição que vai ser feita a seguir, dada a título unicamente ilustrativo e não limitativo e à qual são anexadas: - a figura 1, que mostra um esquema parcial em corte axial de um reator de acordo com a invenção, comportando um prato de distribuição; - a figura 2 representa uma vista fragmentar em escala ampliada de uma variante do reator, de acordo com a invenção; - a figura 3 uma outra vista fragmentada em escala ampliada de uma outra variante do reator, de acordo com a invenção; e - a figura 4 uma outra vista fragmentar em escala ampliada de uma terceira variante do reator, de acordo com a invenção.

Na figura 1, o reator fechado 10, preferencialmente de forma tubular alongada vertical, compreende geralmente, em sua parte superior, meios de introdução de produtos (não representados) que permitem formar pelo menos uma camada granular 12.

Por camada granular é entendido um conjunto de partículas sólidas que têm a forma de grão de dimensões da ordem de alguns milímetros e apresentando vantajosamente uma atividade catalítica, permitindo formar uma camada catalítica que é composta tanto de catalisador fresco, quanto de catalisador regenerado.

Da mesma forma, é entendido que o termo reator utilizado acima abrange tanto os compartimentos quanto as colunas.

Esse reator comporta na região de seu fundo 14 e, de preferência, na zona mediana deste, um conduto de alimentação 16 de uma mistura de alimentação 18 (ou carga) de uma fase gasosa e de uma fase líquida.

Vantajosamente, a fase gasosa compreende uma mistura contendo o hidrogênio puro ou uma mistura contendo o hidrogênio puro, assim como o hidrogênio residual, e hidrocarbonetos vaporizados, enquanto que a fase líquida compreende essencialmente hidrocarbonetos. A mistura de alimentação pode eventualmente comportar outras fases como a de água, de ar ou o oxigênio, um ou uns hidrocarboneto(s) com o ar ou o oxigênio. A camada granular é delimitada na parte baixa desse reator por um prato perfurado transversal 20, colocado à distância do fundo 14 do reator, que se estende até a parede periférica 22 deste e cujo papel será explicitado na sequência da descrição.

Conforme é amplamente conhecido, esse reator permite a distribuição e a mistura de um escoamento de gás e de líquido nesse reator operando em escoamento ascendente. Para se conseguir a reação catalítica desejada, é, portanto, necessário realizar um contato reacional gás/iíquido/sólido. Para isso, o catalisador da camada granular é mantido imóvel no reator ou é colocado em ebulição pelo escoamento gás/líquido.

Conforme será melhor visível na figura 1, o prato distribuidor 10, ou prato de distribuição, delimita a camada granular 12, sendo colocado a jusante do conduto de alimentação 16 e do fundo 14 do reator.

Esse prato é constituído de uma placa plana 24 que ocupa toda a seção do reator até sua parede periférica 22.

Essa placa compreende uma multiplicidade de orifícios 26, 28, 30 que a atravessa. Os orifícios 26 recebem, com estanqueidade, tubulações ocas verticais 32 abertas em suas duas extremidades, designadas na sequência da descrição pelo termo de "chaminé principal" e destinadas a serem percorridas pela fase essencialmente líquida L da mistura de alimentação. Os orifícios 28 são destinados a receber com estanqueidade tubulações ocas verticais 34 também abertas em suas duas extremidades, designadas como "chaminé mista". Essas chaminés mistas são percorridas, seja pela fase essencialmente líquida L da mistura de alimentação, seja pela fase essencialmente gasosa G da mistura de alimentação. Os orifícios 30 da placa estão no estado sendo preferencialmente desprovidos de tubulações o-cas e formam passagens atravessadas pela fase essencialmente gasosa G da mistura. O prato de distribuição é, portanto, composto de uma série de chaminés principais 32, de chaminés mistas 34 e de passagens 30.

Esse prato permite, assim, a comutação dos fluidos gasoso e líquido do fundo do reator para a camada granular. A altura axial H das chaminés principais 32 é mais elevada do que a altura axial H’ das chaminés mistas 34 que é ela própria mais elevada do que a altura das passagens 30, no caso confundida com a espessura E da placa 24. As alturas HeH' são consideradas entre a face inferior da placa 24 e a extremidade inferior aberta, na qual é introduzido o fluido, respectivamente da chaminé principal e da chaminé mista. A seção transversal de travessia S1 das chaminés principais 32, considerada radialmente, é preferencialmente maior do que a seção transversal de travessia S2 das chaminés mistas 34 e a seção transversal de travessia S3 das passagens 30. Vantajosamente, as seções S2 e S3 são iguais entre si, mas podem ser diferentes, sendo inferiores à seção S1.

No caso, as seções S1 a S3 correspondem às seções abertas através das quais circula o fluido (gás ou líquido) em direção à camada 12. As seções S1 e S2 são consideradas a nível das seções diametrais internas das tubulações que formam as chaminés principais 32 e mistas 34, e a seção S3 corresponde à seção diametral das passagens 30.

Naturalmente, as passagens, as chaminés e os orifícios que sustentam chaminés podem possuir geometrias de seção que podem ser, de qualquer forma, idênticas ou diferentes entre si, tal como circular, elíptica ou qualquer outra forma.

Da mesma forma, o número, a disposição e o tamanho das chaminés 32, 34 e passagens 30 sobre a placa 24 serão escolhidos conforme qualquer técnica conhecida pelo versado, em função de valores de funcionamento mínimo e máximo da vazão gasosa desejada.

Mais precisamente, e independentemente da faixa de funcionamento em vazão gasosa, isto deve permitir a formação de uma atmosfera gasosa 36 sob o prato 20 e de uma interface líquida/gás 38 situada acima das extremidades inferiores das chaminés principais 32.

De maneira preferencial e conforme representado a título de e-xemplo na figura 1, as chaminés principais 32 são percorridas pela fase líquida L da mistura, e as chaminés mistas pela fase gasosa G dessa mistura, assim como as passagens 30. Dessa forma, as extremidades inferiores das chaminés principais 32 mergulham na mistura de alimentação 18 contida no fundo 14 do reator e as extremidades superiores dessas chaminés estão em comunicação com a camada granular 12.

De modo similar, as extremidades inferiores das chaminés mistas 34 chegam na atmosfera gasosa 36, enquanto que suas extremidades superiores estão em comunicação com essa camada granular 12.

As passagens 30 permitem colocar em comunicação a atmosfe- ra gasosa 36 com a camada granular 12.

Vantajosamente e conforme conhecido, pode ser possível prever um espaço entre o prato 20 e uma grade que suporta a camada granular.

Isto permite limitar a perda de carga do prato no caso em que as fases líquidas e/ou gás circulam à velocidades elevadas.

Os termos "superior(es)" e inferior(es)" utilizados na presente descrição devem ser considerados com a leitura do esquema do reator conforme ilustrado na figura 1.

Durante o funcionamento desse reator, a mistura de alimentação é introduzida no fundo 14 do reator pelo conduto 16. À medida da ascensão dessa mistura para o prato distribuidor 20, a fase gasosa, que fica aí contida, é retirada dessa mistura. Essa fase gasosa retirada chega embaixo do prato 20 para formar a atmosfera gasosa 36 com uma interface gás/líquido 38 entre essa atmosfera gasosa e a fase líquida desgaseificada da mistura de alimentação.

Naturalmente, e conforme mencionado mais acima, a atmosfera gasosa 36 resulta da perda de carga realizada pelas diferentes chaminés e passagens, cujo número, cujas dimensões e cujas configurações serão determinadas, de forma que a interface 8 fique situada, ao máximo, acima das extremidades inferiores das chaminés principais 32 e abaixo das extremidades inferiores das chaminés mistas e, na pior, acima das extremidades inferiores das chaminés mistas, sem para isto atingir a face inferior do parto 20.

Assim, na configuração da figura 1, a fase líquida gasosa L percorre as chaminés principais 32 para chegar à camada 12 e a fase gasosa retirada G da atmosfera 36 circula, ao mesmo tempo, através das chaminés mistas 34 e das passagens 30 para chegar também na camada 12.

Essas fases líquida e gasosa, que foram vantajosamente distribuídas de maneira homogênea ao longo do prato 20, atravessam a camada em um movimento ascendente para realizar aí a reação química desejada para, em seguida, sair por quaisquer meios conhecidos pelo versado.

Naturalmente, na configuração do reator onde a interface 38 fica situada acima das extremidades inferiores das chaminés mistas 34, a fase gasosa da atmosfera 36 atravessa apenas as passagens 30, enquanto que a fase líquida desgaseificada percorre, ao mesmo tempo, as chaminés principais 32 e as chaminés mistas 34 para chegar na camada 12.

Esse prato permite assim maior flexibilidade de utilização em termos de vazões em gás e em líquido, devido à presença dos dois tipos de chaminés.

Além disso, esse prato permite respeitar as dificuldades de com-pacidade do reator, utilizando chaminés de alturas baixas.

Além disso, esse reator torna possível a utilização de um número maior de vias de circulação de gás, notadamente quando a vazão de gás aumenta, evitando uma coalescência de gás. A variante da figura 2 se distingue da figura 1 pelo fato de as chaminés mistas 34’ comportarem uma seção diametral idêntica àquela das chaminés principais e apresentarem uma seção transversal de travessia S2 menor do que a seção transversal de passagem S1 das chaminés principais 32.

Essa seção de passagem mais estreita é realizada por uma restrição 40 apresentada pelas chaminés mistas 34’. Vantajosa mente, essa restrição de seção é formada por uma arruela, de preferência alargada centralmente, cujo diâmetro externo é confundido com o diâmetro interno da tubulação que forma a chaminé e cujo diâmetro interno permite definir a seção de travessia S2.

Preferencialmente, essa restrição fica situada em um ou em outra das extremidades das chaminés mistas, mas pode também ser colocada em um lugar qualquer entre as duas extremidades dessas chaminés.

Na variante da figura 3, as extremidades inferiores das chaminés mistas 34" em direção do fundo do reator são fechadas, enquanto que as extremidades superiores permanecem em comunicação com a camada gra-nular 12. Para assegurar a comunicação da atmosfera gasosa 36 com a camada 12, a parede periférica das chaminés mistas tem pelo menos um orifício 42. Esse orifício que é, no caso, circular, comporta uma seção de travessia S2, cuja extensão corresponde àquela da figura 1 ou 2. É, portanto, através desse orifício, cujo ponto o mais baixo determina com a face inferior da placa 24 a altura H’ dessa chaminé, que é introduzida a fase gasosa da atmosfera 36 para em seguida percorrer as chaminés mistas 34 e chegar à camada 12.

Naturalmente, pode ser prevista uma multiplicidade de orifícios 42 dispostos tanto circunferencialmente uns ao lado dos outros, quanto axi-almente uns acima dos outros ou uma combinação das duas disposições de orifícios.

Da mesma forma, o orifício pode ser de uma forma diferente da forma circular, como fendas.

Na variante da figura 4, a placa 24 tem orifícios 44, de preferência circular, alojando, de maneira coaxial, ao mesmo tempo, as chaminés principais, assim como as chaminés mistas e formando as passagens anteriormente mencionadas.

Conforme visível nessa figura, as chaminés principais 46 e as chaminés mistas 48 são alojadas coaxialmente uma na outra, sendo colocadas coaxialmente nos orifícios 44. Para isso, esses orifícios 44 apresentam uma dimensão radial maior do que a dimensão radial das chaminés mistas 48, que elas próprias apresentam uma dimensão radial maior do que a dimensão radial das chaminés principais 46.

Da mesma forma, a altura H das chaminés principais é maior do que a altura H’ das chaminés mistas que é, ela própria, maior do que a altura dos orifícios 44, no caso confundida com a espessura E da placa 24.

De maneira vantajosa, as extremidades superiores das chaminés principais e mistas são alojadas no orifício 44 com suas extremidades superiores colocadas no mesmo plano horizontal, conforme melhor visível na figura 4.

Naturalmente, o versado considerará todos os meios que permitem realizar a ligação entre as diferentes chaminés e o orifício, como, por exemplo, travessas radiais 50 soldadas entre a periferia externa da chaminé principal e a periferia interna da chaminé mista, assim como travessas 52 soldadas entre a periferia externa da chaminé mista e a periferia interna do orifício 44.

Nessa configuração, a seção de travessia S1 corresponde à seção diametral da chaminé principal, a seção S2 corresponde à extensão sur-fácíca transversal entre a periferia externa da chaminé principal e a periferia interna da chaminé mista e a seção S3, à extensão surfácica transversal entre a periferia externa a chaminé mista e a periferia do orifício 44.

Conforme anteriormente mencionado em relação com as figuras 1 a 3, a seção S1 é maior do que a seção S2 que é, ela própria, maior ou igual à seção S3.

Assim, as extremidades inferiores das chaminés principais 46 mergulham na fase líquida desgaseificada e as extremidades superiores desembocam na cada granular 12, permitindo assim a travessia da fase líquida para essa camada granular. O espaço de seção S2 entre as chaminés principais e as chaminés mistas, assim como o espaço de seção S3 entre as chaminés mistas e os orifícios 44 permitem a circulação e a travessia da fase gasosa da atmosfera gasosa 36 para a camada 12. A presente invenção não está limitada aos exemplos de realização descritos, mas engloba quaisquer variantes e quaisquer equivalentes.

Notadamente, em substituição da mistura de alimentação, conforme descrito acima, pode ser considerado introduzir a fase líquida L em fundo de reator por um primeiro meio de alimentação e injetar a fase gasosa G embaixo do prato distribuidor por um outro meio de alimentação, de forma a criar uma atmosfera gasosa e uma interface líquido/gás.

REIVINDICAÇÕES

Claims (9)

1. Reator de tratamento ou de hidrotratamento, compreendendo pelo menos uma camada de proteção (12), uma fase essencialmente líquida (L) e uma fase essencialmente gasosa (G) presentes no fundo do reator sendo separadas por uma interface (38), um prato distribuidor (20) com pelo menos uma chaminé principal (32), permitindo a circulação da fase líquida (L) em direção da camada e pelo menos uma passagem (30) para introduzir a fase gasosa (G), nessa camada, caracterizado pelo fato de o prato (20) apresentar, além disso, pelo menos uma chaminé mista (34) para a circulação da fase líquida em direção da camada ou para a introdução da fase gasosa nessa camada.

2. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a chaminé mista (34) compreender uma altura (H’) menor do que a altura (H) da chaminé principal (32) e maior do que a altura (E) da passagem (30).

3. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a chaminé mista (34) compreender uma seção de travessia de fluido (S2) menor do que a seção de travessia de fluido (S1) da chaminé principal (32).

4. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a chaminé mista (34) ser uma tubulação aberta em suas duas extremidades e pelo fato de a seção de travessia de fluido (S2) da chaminé mista ser a seção diametral dessa tubulação.

5. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a chaminé mista (34) ser uma tubulação aberta em suas duas extremidades e pelo fato de a seção de travessia de fluido (S2) ser uma restrição (40) da seção diametral da chaminé mista.

6. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de a restrição ser uma arruela alargada (40) colocada em uma das extremidades da chaminé mista (34).

7. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a chaminé mista ser uma tubulação fechada em sua extremidade inferior e pelo fato e a seção de travessia (S2) da chaminé mista ser pelo menos um orifício (42) apresentado pela parede periférica dessa chaminé.

8. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com as reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a chaminé principal (46) ser alojada coaxialmente em um orifício (44) apresentado pelo prato e de dimensão diametral superior àquele dessa chaminé.

9. Reator de tratamento ou de hidrotratamento de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de a chaminé mista (48) ser colocada entre a chaminé principal (46) e o orifício (44), e coaxialmente a estes.