BRPI0906447A2 - método de preparar metanol, e, reator de metanol para uso no mesmo - Google Patents

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Abstract

MÉTODO DE PREPARAR METANOL, E, REATOR DE METANOL PARA USO NO MESMO. Projeto aperfeiçoado de uni método catalítico e reator para a produção de metanol em condições de equilíbrio através do qual o metanol à medida que ele é formado é separado a partir da fase gasosa para a fase liquida dentro do reator sem reduzir a atividade catalítica do catalisador de metanol. Isto é obtido por ajuste do ponto de ebulição ou temperatura de um agente de resfriamento líquido estando em contato indireto com as partículas de catalisador e provendo uma relação específica de volume de leito de catalisador para área de superfície de resfriamento. Assim, condensação de metanol à medida que ele é formado na fase gasosa ocorre na maior parte na superfície de resfriamento disposta, distribuída uniformemente dentro do reator e se de todo, dentro de uma região muito limitada do leito de catalisador.

Description

"MÉTODO DE PREPARAR METANOL, E, REATOR DE METANOL PARA USO NO MESMO"
CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se à produção industrial de metanol
W - 5 por conversão de um gás de síntese contendo hidrogênio, monÓxido de carbono e dióxido de carbono na presença de uin catalisador de síntese de metanol. A invenção é ein particular um método e um reator para melhorar a produção de metanol com relação à limitação de equilíbrio, e 10 assim reduzir ou eliminar a recirculação de gás de síntese por separação in situ de metanol à medida que ele é produzido a partir do gás de síntese.
ANTECEDENTES DA INVFNÇÃO A preparação de metanol é baseada nas seguintes três reações de equilíbrio: 15 (1) CO + 2 H, <=> CH3OH (2) CO,+3H,<=>CH,OH+H,O (3) CO+H,O<=>CO,+H, Devido ao equilíbrio somente uma flação do gás de síntese é convertida em metanol e a parte restante do gás de síntese precisa ser 20 reciclada. A separação in situ de metanol a partir de gás de síntese é descrita -- na patente US No. 4.731.387. Em um reator de fluxo de gotejamento de sólido gasoso o metanol é removido por um material de absorção e assim a " W condição de equilíbrio melhora. Após por passado o reator, o metanol é dessorvido do material de absorção e o material de absorção é reciclado para a '2.5 entrada do reator. Os inconvenientes deste sistema estão na complexidade do sistema, que resulta em dificuldades operacionais e um custo de investimento maior. Outro modo de superar as limitações de equilíbrio é descrito na patente US No. 5.262.443, onde o reator catalítico é operado a uma temperatura e pressão onde uma parte do metanol produzido condensa no leito catalítico. Ao aplicar a invenção, é possível reduzir ou eliminar o reciclo oneroso do gás de síntese. Existem, no entanto, dois inconvenientes ao operar deste modo. - 5 A fiín de operar abaixo do ponto de orvalho do g'is, a temperatura do catalisador precisa ser reduzida abaixo do nível ótimo de temperatura para a reação catalítica. A menor temperatura resulta em uma menor atividade, o que aumenta o volume de catalisador necessário e o custo 10 do reator. O segundo problema envolve a condensação de metanol no catalisador poroso. O gás de síntese precisa difúndir dentro do catalisador através do sistema de poros para iniciar a reação catalítica. Se os poros são cheios com metanol, a taxa de difiísão e a atividade catalítica são severamente 15 reduzidas.
Estes dois problemas reduzem a atividade do catalisador várias vezes comparada com a atividade obtida com o processo de síntese de metanol convencional. Como uma conseqüência da atividade reduzida, o reator de condensação precisa ser aumentado resultando em reatores mais 20 caros do que os reatores convencionais com reciclo de gás de síntese.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção provê, em geral, um projeto melhorado de " » um reator e método catalítico para a produção de metanol em condições de equilíbrio, pelo que metanol à medida que é formado é separado da fase 25 gasosa dentro da fase Iiquida dentro do reator, sem reduzir a atividade catalítica do catalisador de metanol. Isto é obtido por ajuste da temperatura do agente de resfíiamento líquido estando em contato indireto com as partículas de catalisador e provendo uma relação específica de volume de leito de catalisador para área de superfície de resfriamento. Assim, a condensação de metanol à medida que ele é formado na fase gasosa ocorre na maior parte na superficie de resfiiamento disposta, distribuída uniformemente dentro do reator e se de todo, dentro de uma região muito limitada do leito de - 5 catalisador. Mais particulamente, a invenção provê um método para a preparação de metanol compreendendo as etapas de reagir um gás de síntese contendo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo 10 indiretamente reshiadas com um agente de resfriamento, e condensar metanol à medida que ele é fòmado sobre uma superficie de resfriaInento por ajuste da pressão do agente de resfriamento para obter uin ponto de ebulição (TBW) do agente de resfíiamento entre 60°C e 170°C, e 15 manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superficie de resfíiamento (ACOOL) no ponto de ebulição do agente de resfliamento ein tal modo que a relação do volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para a área da superficie de reshiamento (ACOOL) está entre 0,0125rn e 0,125m.
20 Um outro método da invenção para a preparação de metanol .- compreende as etapas de reagir um gás de síntese com hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de " R catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfíiadas com um agente de resfiiamento, e 25 condensar metanol à medida que ele é preparado sobre uma superncie de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfliamento para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resÉiamento entre 60°C e 170°C, e manter a temperatura do catalisador acima do ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superficie de resfíiamento (ACOOL) de tal modo que a relação (Z) de volume de massa de catalisador assentado para produto de área da superfície de resfriamento (ACCOL) e diâmetro
W . 5 equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio das seguintes equações: DEQl = (6* (volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [m3] / 3,14)0333 com partículas de catalisador do mesmo tamanho, ou 10 DErQ2 = ( Z w(1)*(DEQ(1)') )°?'3, onde w(i) é a Nação em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m]. Em uma forma de realização preferida da invenção, temperatura das partículas de catalisador de metanol é inantida acima do 15 ponto de orvalho do metanol por um agente de aquecimento incluindo água pressurizada com um ponto de ebuliç"o entre 220°C e 280°C, vapor com um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C ou uma mistura dos niesmos, o agente de aquecimento sendo passado através de um meio de aquecimento intemo tendo uma área de superfície de modo que a relação da superficie de meio de 20 aquecimento para a superfície da área de resfíiamento (ACOOL) está entre -. 0,3 e 3,0. Outras formas de realização do método inventivo são descritas " W nas reivindicações 12-16. A invenção provê além disso um reator de metanol sendo 25 utilizável no método de acordo com a invenção. Em um aspecto da invenção, um reator de metanol compreende dentro de um envoltório comum um leito fixo de partículas de catalisador de metanol e meio de resfiiamento adaptado para indiretamente resfíiar um gás de síntese de metanol com um agente de resfriamento, em que a relação de volume de massa de catalisador assentado para área de superfície de resfriamento (VCAT / ACOOL) do meio de resfiiamento está entre " 0,0125m e 0,125m em um ponto de ebulição do agente de resfíiamento de . 5 entre 60°C e 170°C. Em um outro aspecto da invenção, o reator de metanol compreende dentro de um envoltório comum "um leito fixo de um catalisador de metanol e meio de resfíiamento adaptado para indiretamente reshiar um gás de síntese de metanol com um agente de resfriamento, em que a relação 10 (Z) de volume de massa do catalisador para produto de multiplicação de área da superficie de resfriamento com diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30 em um ponto de ebulição do agente de resfíiamento de entre 60°C e 170°C, onde o diâmetro equivalente do catalisador é cálculado por meio da seguinte equação: 15 DEQl = (6* (volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [m3j/3,14)0?33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho e com partículas de catalisador de diferente tamanho por meio da seguinte equação: DEQ2 = (Ê w(1)*(DE.Q(1)'))°'", 20 onde w(i) é a Hação em peso de partículas de catalisador com .W um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m]. Uma fornia de realização preferida dos reatores inventivos H e acima descritos compreende, além disso, dentro do envoltório comum, meio de aquecimento adaptado para indiretamente manter temperatura do 25 catalisador de metanol acima do ponto de orvalho do metanol com um agente de aquecimento, em que a relação de superfície da superfície do meio de aquecimento para o meio de resfriamento está entre 0,3 e 3,0.
Outras formas de realização da invenção estão de acordo com as reivindicações 17 -22.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO Em geral, o tipo de reator para uso na invenção é da maior importância. O ponto de ebulição ou temperatura requeridos do agente de resfíiamento líquido será igual para qualquer um dos tipos de reator e o . 5 volume de catalisador para área de superfici.e de resfriamento será idêntico. Os reatores de metanol mais utilizáveis são reatores resfíiados ou de vapores ascendentes ou aquecendo o agente de resfiiamento de líquido pressurizado. A "temperatura" do agente de resfi:iamento líquido é a 10 temperatura média definida como a temperatura do agente de resfíiamento após ter recebido metade do calor transferido total. Os três principais tipos de reator de metanol são: Reator tipo 1, onde gás de síntese entra no topo do leito catalítico e o leito de catalisador é indiretamente circundado pelo agente de 15 resfíiamento líquido e o gás de síntese e metanol líquido condensado se movimenta concorrentemente descendentemente. Um exemplo de tal reator é mostrado nos desenhos na Figura 8. Reator tipo 2, onde gás de síntese entra no topo do leito catalítico e o agente de resfriamento líquido é indiretaniente circundado pelo 20 leito de catalisador, e o gás de síntese e líquido condensado se movimenta concorrentemente descendentemente. Um exemplo de tal reator é mostrado na íigura 9. µ b Reator tipo 3, onde gás de síntese entra perpendicular ao eixo do reator cilíndrico e o agente de resfriamento líquido é indiretamente 25 circundado pelo leito de catalisador e o gás de síntese e metanol líquido condensado passam em um modo radial através do reator. Um exemplo de tal reator é mostrado na figura 11. O terino "indiretamente circundado" mencionado acima e no seguinte refere-se ao princípio comumente conhecido de troca de calor indireta, em que um agente de resfíiamento ou aquecimento está em contato térmico indireto com outro fluido sendo separado do agente de reshiamento / aquecimento por uma superficie de transferência de calor, na forma de por exemplo uma parede de um tubo ou uma placa de um trocador de calor. . 5 A fim de obter condensação de meta.nol à medida que ele é formado no leito de catalisador, que ocorre substanciahnente em uma superfície de resfiiamento de acordo com a invenção, duas medidas contraditórias precisam ser atendidas: 10 1. Ter uma temperatura suficientemente elevada no leito de catalisador, o fluxo térmico precisa ser pequeno. Isto pode ser obtido diminuindo a área de resfriamento ou aumentando a temperatura do agente de resfrianiento.
2. Uma temperatura suficientemente elevada requer uma 15 produção de calor elevada ou uma taxa de reação elevada. Se o gás de síntese de metanol está em um equilíbrio termodinâmico com metanol, a reação catalítica irá chegar a uin estado quieto, e assim a produção de calor irá desaparecer. Assim, é necessário assegurar que o metanol produzido seja transportado para a superficie de resfriamento em uma taxa elevada. Isto pode 20 ser obtido por aumento da área de resfíiamento ou diminuição da temperatura do agente de resfriamento líquido.
Pela invenção, a atividade catalítica é mantida elevada ao se "P e evitar a condensação através de ajuste da relação entre o volume do catalisador e a área de superficie de reshiamento, junto com uma temperatura 25 específica do agente de resfriamento líquido, como descrito em detalhes abaixo.
A extensão do trajeto de 'transporte de metanol sendo produzido no leito de catalisador é ajustada a um comprimento em que a concentração de metanol no leito catalítico é apropriadamente baixa que o calor de reação aumenta a uma temperatura, onde ela compensa a quantidade de calor removida pela mesma extensão de transporte. Ao mesmo tempo " assegura a temperatura de superncie de resfriamento, que a temperatura é m 5 sut'icientemente baixa que a condensação ocorre, e a temperatura do leito catalítico é tão elevada que a condensação sobre o catalisador é evitada e uma taxa de reação é mantida. Este efeito é obtenível a uma temperatura específica da superficie de resfiiamento. O calor que precisa ser removido do reator é de tal 10 inagnitude que para qualquer razão prática ele pode ser removido por calor de evaporação ou por aquecimento do agente de resfíiamento líquido. A temperatura de superficie da área de resfíiamento é próxima da temperatura do agente d.e resfíiamento líquido. A fim de evitar condensação de metanol no leito do 15 catalisador, o calor de produção deve ser suficientemente elevado para compensar o calor removido na área de reshiamento por aumento da relação de volume de catalisador para área de superficie de resfriamento e a relação de volume de catalisador para área de superfic.ie de resfriamento deve ser adequada para o transporte do vapor de metanol produzido para a superncie 20 de resfi:iamento. » V Prefere-se que o re-arrasto de metanol líquido seja substancialmente reduzido ou evitado. O re-arrasto de líquido pode ser m « evitado por redução da resistência de fluxo do metanol bruto fluindo descendentemente sobre a superficie de resfiiamento. Isto é realizado por 25 emprego de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de mais do que 0,002m. O re-arrasto de líquido pode ser ainda reduzido por meio de um estabilizador de película líquida, como mostrado nas Figuras 1-7.
O re-arrasto de metanol líquido no leito de catalisador pode ser também evitado introduzindo uma área de aquecimento no reator que mantém a temperatura do leito de catalisador acima do ponto de orvalho de metanol.
A área de aquecimento também irá manter a temperatura do catalisador acima
" do ponto de orvalho em casos em que a produção de calor é baixa, como
. 5 gases de mÓdulo elevado, e próximo da saída do leito de catalisador.
A área de aquecimento deve, como para a área de resfíiamento, ser distribuída unifomemente dentro do leito de catalisador a fini d.e obter um gradiente de temperatura forçada no leito.
Porque a produção de calor é maior na entrada do gás de síntese do reator, com comparado com a saída do reator, a área de
10 aquecimento pode resfriar próximo da região de entrada do reator e apenas aquecer o leito de catalisador na região de saída próxima do reator, È preferido introduzir o agente de resfriamento em uma direção de fluxo em co- corrente com o gás de síntese.
Assim, a região de saída do reator pode ser re aquecida por excesso de calor a partir da região de entrada do reator.
O agente
15 de aquecimento para uso na área de aquecimento é preferivelmente água de alimentação de caldeira, vapor ou uma mistura destes.
A pressão do agente de aquecimento está preferivelmente entre cerca de 1,2 MPa e cerca de 6,4 MPa.
A vantagem principal do método e reator desta invenção é uma elevada conversão de gás de síntese de metal no reator obtido pela remoção
20 contínua do metanol formado a partir da fase gasosa dentro da fase liquida
.W sobre uma sllperficie de resfriamento através de condensação.
Um remltado, o processo de metanol pode ser realizado em um inodo de passagem única sem + W recirculação de gás de síntese não convertido.
Comparado com o reator de metanol com água em ebulição,
25 uma vantagem da presente invenção é uma produção de vapor aumentada, porque o calor de condensação é utilizado no reator para a produção de vapor, enquanto o calor de condensação é tipicamente removido em um subseqüente condensador de água de resfriamento.
F 10 Se o calor de reação é removido por água de alimento da caldeira de aquecimento, a água de alimentação da caldeira pode ser
W subsequentmente resfiiada por destilação instantânea do vapor fomado em . 5 um tambor extemo de destilação instantânea. Como no processo de metanol convencional, alguns subprodutos são fomados, dentre estes estão acetona e metil etil cetona, que são dificeis de remover por destilação. Porque a reação de hidrogenação é muito rápida, as cetonas estarão em equilíbrio termodinâmico na temperatura '10 dada no reator. As cetonas serão principalmente dissolvidas no metanol bruto condensado na superficie de resfíiamento, onde o equilíbrio termodinâmico é mais favorável para a conversão clas cetonas nos alcoÓis correspondentes. Isto resulta em um menor teor de cetona no metanol produzido comparado com um reator de metanol convencionalmente operado.
15 Os parâmetros de processo acima descritos e projeto e dimensões do reator podem ser ajustados por meio do seguinte procedimento: A fiin de obter condensação do metanol formado so'bre a superficie de resfiiamento, a temperatura do agente de resfliamento precisa estar abaixo do ponto de orvalho do metanol. Se o calor de reação for 20 removido por evaporação do agente de reshiamento líquido, a pressão do .. agente de resfiiamento líquido precisa ser ajustada para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfriamento entre 60°C e 170°C. Se o calor de " m reação for removido por aquecimento de um líquido rehigerante, a temperatura média do líquido refiigerante (TBW) deve estar entre 20°C e 25 170°C. TBW é a temperatura média do agente de resfriamento. A temperatura média é definida como a temperatura do agente de resfriamento após ter recebido nietade do calor transferido total. Para reatores de vapores ascendentes, a teníperatura média estará próxima do ponto de ebulição do agente de resfriamento líquido. A pressão absoluta do gás de síntese na entrada do reator deve estar acima de 8,5 MPa. Tendo deteminado a temperatura média do agente de m reshiamento líquido, a relação de volume de catalisador para área de . 5 superfície de resfiiamento precisa ser ajustada. A fim de evitar condensação de metanol no leito de catalisador, o calor de produção deve ser suficientemente elevado para compensar o calor removido na área de reshiamento por aumento da relação de volume de catalisador para área de superficie de resfíiainento e a relação de volume de catalisador para área de 10 superficie de resfriaInento deve ser adequada para o transporte do vapor de metanol produzido para a superficie de resfriarnento. Ambas as condições podem ser obtida por ajuste da área da superficie de reshiamento (ACOOL) em tal modo que a relação do volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para a área da superfície de resfriamento (ACOOL) está entre 15 0,0125ni e 0,125m. Em uma outra foma de realização da invenção, a área da superficie de resfiiamento (AC.OOL) é ajustada de tal modo que a relação (Z) de volume de massa de catalisador assentado para produto de multiplicação de área da superficie de reshiamento (ACCOL) e diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30.
20 onde: a O DEQ [m] é o diâmetro equivalente do grânulo de catalisador calculado como o diâmetro de uma esfera tendo o mesmo volume que a E m partícula de catalisador DEQ =(6 * (volume de partícula [m3])/3,l4 )0>33), Se for empregado mais de um tamanho de grânnlo, um diâmetro equivalente 25 médio ponderal é calculado DEQ = (E w (i)*(DEQ(i))')0:'3 onde w(i) é a fração em peso de partículas com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m]; VCAT[m3] é o volume bruto assentado do catalisador no reator; e
ACOOL[m'] é a área de transferência de calor da superficie de resfíiamento onde condensação de metanol ocorre. Para reator tipo 1, ACOOL é a área intema total dos tubos do " catalisador. Se os tubos de catalisador tem aletas longitudinais intemas, . 5 ACOOL é a área extema dos cilindros maiores encerrados pelos tubos com aletas. Para reator tipos 2 e 3, ACOOL é a área extema total dos tubos de resfiiamento contendo o agente de reshiainento líquido com uma temperatura de TBW. Se os tubos do catalisador tem aletas longitudinais, ACOOL é a área extema dos cilindros menores encerrando os tubos com aletas.
10 Se forem empregados trocadores de calor de placas, ACOOL é a área extema total do menor retângulo encerrando as placas do trocador de calor. Se o re-arrasto do liquido no leito de catalisador ocorre ou se o módulo de entrada do gás de síntese M está acima de 3 onde: 15 M= (Y(HJ - Y(COJ)/(Y(CO)+ Y (M é o módulo de gás de entrada, Y é a fração molar) prefere-se introduzir uma segunda área de aquecimento AREHEAT [m2] no reator tipos 2 e 3, como definido previamente. Esta segunda área de aquecimento irá assegurar que a temperatura do catalisador é mantida acima 20 do ponto de orvalho de metanol. O agente de aquecimento usado na área de K # aquecimento pode ser um meio líquido, vapor ou uma mistura destes com um ponto de ebulição de entre 220°C e 280°C para o meio líquido ou um ponto
H W de orvalho entre 220°C e 280°C para o vapor.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS 25 Figuras 1A e 1B niostram equipamento interno de malha de arame para uso na invenção. Um meio de resfiiamento líquido 1 é no exterior de um tubo de aço2. Tubo de resfriamento tem sua parede intema uma malha de arame cilíndrica 3 (detalhe A) espaçada da parede. O tubo 2 suporte um leito fixo de catalisador 4. Uma película de condensado 5 de metanol sendo produzida dentro do leito 4 na fase gasosa condensa como uma peh'cula sobre a parede do tubo intemo e flui descendenteniente entre a parede intema e a " gaze de arame. A disposição pode ser invertida em tal modo que um agente de . 5 resfiiamento está dentro do tubo e o cilindro de gaze de arame fora do tubo e o leito de catalisador fora do cilindro de gaze de arame. Figura 2 é equipamento intemo em espiral de aço para uso na invenção. Um agente de resfiamento líquido 1 está no lado externo de um tubo de aço 2. A espiral de aço 3 é disposta dentro do tubo 2 suportando um 10 leito fixo de catalisador 4. A película de condensado de metanol 5 está fluindo descendentemente sobre o lado inferior da espiral. Figura 3 mostra equipamento intemo de hélice de aço para uso na invenção. Um líquido de resfíiamento 1 está fora de um tubo de aço 2. Uma hélice de aço 3 é disposta dentro de um leito f:xo de catalisador 4. Uma 15 película de condensado de metanol 5 fluindo descendentemente eobre o tubo de parede intema 2 e é forçada para a parede 2 devido à força centrífúga, criada pela rotação forçada de um gás de síntese passando em direção axial através do tubo 2. Tubo 2 pode ser equipado com duas hélices 3, cada espiral deslocada em 180° de cada outra.
20 Figuras 4A e 4B mostram equipamento intemo de fibra porosa U. para uso na invenção. Um agente de resfriamento líquido circunda um tubo de resfíiamento 2 sendo equipado com um cilindro de fibra tecida 3 ou um " § cilindro de esteira de fibra ligada cerâmica sobre a parede intema do tubo 2. Um leito fixo de catalisador 4 é disposto dentro do tubo 2. Uma película de 25 condensado de metanol 5 flui descendentemente dentro do equipamento intemo de fibra porosa. A disposição pode ser revertida de tal modo que o agente de resfíiamen'to está dentro do tubo 2, e equipamento 3 está fora do tubo e o leito de catalisador 4 fora do equipamento 3.
F'igura 5 é uma vista em seção transversal de um tubo de catalisador com aletas intemas 2 para uso na invenção. Um agente de resfíiamento líquido 1 está fora do tubo de aço com aletas longitudinais extemas 2, onde o número de ale"tas intemas preferivelmente é maior do que 3,14 multiplicado com o diâmetro de tubo intemo nominal dividido com o . 5 diâmetro equivalente do grânulo de catalisador. As aletas intemas irão criar um vazio entre a parede de aço e o leito de catalisador pemitindo ao condensado de metanol fluir descendentemente com menos resistência. Um leito fixo de catalisador 3 é disposto dentro do tubo e "uma película de 10 condensado de metanol 4 flui descendentemente entre a parede de tubo intemo e o Ieito de catalisador 4. Figura 6 é uma vista em seção transversal de um tubo de resfriamento com aletas extemas para uso na invenção. Um agente de resfriamento líquido 1 está fora do tubo de aço com aletas longi'tudinais 15 extemas 2, onde o número de aletas internas preferivelmente é maior do que 3,14 multiplicado com o diâmetro de tubo extemo nominal dividido com o diâmetro equivalente do grânulo de catalisador. As aletas extemas irão criar um vazio entre a parede de aço e o leito de catalisador permitindo à película de condensado de metanol 4 fluir sobre a parede do tubo intemo com menos 20 resistência.
P 4 Figura 7 é um trocador de calor de placa corrugada para uso como a área de resíliamento de acordo com a invenção. Um agente de " & resfriamento líquido 1 é introduzido através da entrada la, que deixa o trocador de calor em forma gasosa 2 através da saída 2a. 'Um leito fixo de 25 catalisador 3 circunda o trocador de placa. O trocador de calor é provido com um.a superfície corrugada sinoidal 4 que provê um vazio entre as partículas de catalisador e a superficie do trocador de calor permitindo ao metanol condensado 5 fluir sobre a superficie com menos resistência. O comprimento de onda da corrugação sinoidal é menor do que o diâmetro equivalente do catalisador.
Figura 8 mostra uma vista longitudinal de um reator de
" metanol multi-tubular de acordo com uma foma de realização específica da
, 5 invenção.
O reator é provido em seu recinto de pressão 14 com uma entrada de gás de síntese 1, uma câmara de acesso 2, uma entrada 4 para um agente de resfriamento líquido, uina saída 5 uma mistura de líquido-vapor do meio de resffiamento, uma saída 9 para o gás de sínteqe não convertido e metanol bruto liquido e um dispositivo de líquido 12. Na parte de topo 3 do reator,
10 uma folha de tubo superior 6, parte de topo 3, pode ser opcionalmente parcialmente cheia com um catalisador.
Na região de fúndo do reator, uma folha de tubo inferior 7, 8 um leito de suporte de esferas inertes 8 e uma grade de suporte perfürada ll que suporta o leito inerte.
Uma pluralidade de tubos 13 são cheios com catalisador de metaDol, estes tubos podendo, cada, suportar
15 um equipamento estabilizante de líquido, como descrito acima.
Os tubos são dispostos em um nível triangular.
Metanol sendo formado dentro dos tubos condensa sobre a parede interna dos tubos sendo resfriados pelo agente de resfíiamento e ílui descendentemente para a saída 9. Figura 9 é uma vista longitudinal do reator de metanol com urn
20 leito ca'talítico 8 e um t'rocador de calor tubular 11 disposto dentro do leito de F 0 catalisador de acordo com uma forma de realização específica da invenção.
Gás de síntese metanol é introduzido através da entrada 1 e passado através " U do leito de catalisador 8. O agente de resfíiamento líquido é introduzido via um tubo múltiplo de entrada 4 no trocador de calor tubular 11 e retirado na
25 forma de uma mistura vapor-líquido na tubulação de saída 5. No fúndo do reator a grade de suporte perfurada 6 suporta um leito de suporte 9 de esferas inertes.
A parte principal dos catalisadores está situada entre trocador de calor ll consistindo de, ou uma pluralidade de, tubos, tubos com um estabilizador de película de líquido sobre a superficie extema, tubos longitudinais com aletas ou placas de troca de calor corrugadas. Metanol à medida que é formado dentro do leito de catalisador é condensado sobre a superfície do " trocador de calor 11 e é retirado na fase liquida através da saída 10.
. 5 Figura lO é uma vista longitudinal do reator de metanol sendo provido com um leito fixo de catalisador de metanol 8 de acordo com uma forma de realização específica da invenção. Dentro do leito 8 é montada uma superficie de resfiiamenlo na forma de um trocador de calor tubular ll e uma ' superficie de aquecimento na fornia de um trocador de calor tubular 15. No 10 fiindo do reator a grade de suporte perfürada 6 suporta um leito de suporte 9 de esferas inertes. O gás de síntese metanol é introduzido dentro do leito 8 via entra.da 1. Um agente de aquecimento é introduzido em trocador de calor 15 via o tubo múltiplo de entrada 13 e retirado através do tubo múltiplo de saída
14. Um agente de resfriamento líquido é introduzido em trocador de calor 11 15 via um tubo múltiplo de entrada 4 e é retirado através do tubo múltiplo de saída 5. Metanol sendo fonnado no leito 8 condensa sobre a superfície de resfriamento do trocador de calor 11 e é retirado do reator na fase liquida através da saída lO. A superficie de resfriamento do trocador de calor 11 consiste de, ou uma pluralidade de, tubos, tubos com um estabilizador de 20 película de líquido sobre a superficie extema, tubos longitudinais com aletas m B ou placas de troca de calor corruga.das onde o metanol bruto condensa. Trocador de calor 15 mantém a temperatura do leito de catalisador acima do " ! ponto de orvalho do metanol formado e consiste de, ou uma pluralidade de, tubos ou placas de troca de calor.
25 Figura 11 é uma vista em seção de um reator de metanol de fluxo radial de acordo com uma forma de realização específica da invenção. O gás de síntese de metanol é introduzido no reator via entrada l. O gás de síntese é passado através do leito de catalisador 14 na direção radial a partir da periferia do reator através de um cilindro perfúrado cilíndrico 7 que suporta o leito de catalisador e permite que o gás de síntese de entrada passe para um tubo central 6 sendo perfürando quando em contato com o catalisador
' para permitir que o gás de síntese residual e o metanol bruto líquido sendo
. 5 fomado sejam retirados através da saída 13. A superficie de resfriamento na forma de um trocador de calor 9 consistindo de, ou uma pluralidade de, tubos, tubos com um estabilizador de película de líquido sobre a superficie extema, tubos Iongitudinais com aletas ou placas de troca de calor corrugadas é disposto dentro do leito de catalisador 14. Um agente de resfliamento líquido
10 é introduzido no trocador de calor através da entrada 4 e retirado através da saída 5. O agente de reshiamento é distribuído para o trocador de calor por meio de um distribuidor circular 10 e coletado na saída do trocador de calor por um distribuidor de saída 11. Figura 12 mostra tun diagrama de fluxo de processo para a
15 preparação de metanol de acordo com a invenção.
Gás de síntese de metanol 1 é comprimido no compressor de gás de sintese e passado para um reator de água em ebulição multi-tubular convencional 5 como tipicamente empregado na indústria hoje em dia.
O efluente do reator 5 contendo metanol e gás de síntese não convertido é passado para um separador 9 e separado em uma
20 corrente rica em gás de s'íntese 10 e uma corrente rica em metanol 17. £ 4 Corrente 10 é introduzida no reator de metanol 11 sendo projetado de acordo com a invenção.
Um agente de resfiiamento com um ponto de ebulição entre e
60°C e 170°C é introduzido no reator 11 via entrada 13 e retirado da saída 12. Um agente de aquecimento éi introduzido através da entrada 18 e retirado
25 através da saída 19. O efluente do reator 11 contendo metanol líquido e gás de síntese não convertido é passado para um separador 15 e separado em uina corrente de gás de síntese 16 e uma corrente de metanol líquido 20, que é combinada com a corrente de metanol do reator 9 em linha 17.
Exemplo 1 O projeto do reator e ·as· .condições de. proces'so para um método e reator do tipo acima discutido 1 são determinados por meio das " seguintes equações com base em valores pré-detemiinados de: . 5 P=12,55MPa pressão do reator na entrada do gás de síntese; Composição do gás de síntese na entrada do reator: Y(CH,OH)=0,255; Y(HJ=0,438; Y(CO)=0,l48; Y(COJ=O,075; Y(H2O)=0,006 Diâmetro equivalente das partículas de catalisador: 10 DEQ = 0,006m Com valores de projeto pré-determinados de TBW=130°C, Z=5, o seguinte projeto de reator com uma condensação ótima de metanol sobre a superfície de resfíiamento dentro do reator pode ser determinado como a seguir: 15 Porque Z=VCAT/(ACOOL*DEQ) e Z e DEQ são conhecidos, VCAT/ACOOL pode ser calculado como: VCAT/ACOOL=5*0,006m=O,03m Para um reator multi-tubular de tipo 1, a relação de VCAT/ACOOL é igual a '4 do diâmetro intemo do tubo, dando um diâmetro 20 de tubo intemo de 0,12m.
» W A fim de manter a temperatura média do agente de resfriamento líquido TBW a 130°C, água de alimentação da caldeira ¶ b pressurizada a 5,OMPa e ll0°C é usada para reshiar o reator, o fluxo do agente de resfíiamento é ajustado a fim de obter uma temperatura de saída do 25 agente de resfiiamento de 150°C, dando uma temperatura média do agente de resfiiamento de 130°C.

Claims (22)

REIVINDICAÇÕES
1. Método de preparar metanol, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de reagir um gás de síntese contendo hidrogênio, - monÓxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de . 5 partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfriadas com um agente de resfíiamento, e condensar metanol à medida que ele é preparado sobre uma superficie de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfriamento para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfliamento entre 10 60°C e 170°C, e manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superficie de reshiamento (ACOOL) no ponto de ebulição provido do agente de reshiamento em tal modo que a relação do volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para a área da 15 superficie de resfriamento (ACOOL) está entre 0,0125in e 0,125m.
2. Método de preparar metanol, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de reagir uin gás de síntese com hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfíiadas com um 20 agente de resfiiamento, e " V condensar metanol à medida que ele é preparado sobre uma superficie de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfliamento " K para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfriamento entre 60°C e 170°C, e 25 manter a temperatura do catalisador acima do ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superficie de resfiiamento (ACOOL) de tal modo que a relação (Z) de volume de inassa de catalisador assentado para produto de multiplicação de área da superfície de resfhamento (ACCOL) e diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio das seguintes equações: DEQl = (6*(volume de uma partícula do ca'talisador de síntese .
P 5 de metanol [m3]/3,14)0333 com partículas de catalisador do mesmo tamanho, ou DEQ2 = (Ew(i)*(DEQ(i)'))°7'3, onde: w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
10
3. Método de acordo as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a temperatura das partículas de catalisador de metanol é mantida acima do ponto de orvalho do metanol por uin agente de aqueci'mento incluindo água pressurizada com um ponto de ebulição entre 220°C e 280°C, vapor com um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C ou uma mistura dos 15 mesmos, o agente de aquecimento sendo passado através de um meio de aquecimento intemo tendo uma. área de superíicie de modo que a relação da superficie de meio de aquecimento para a superfície da área de resfiiamento (ACOOL) está entre 0,3 e 3,0.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado 20 pelo fato de que o pon'to de ebulição do agente de resfíiamento está entre 1OO°C e 160°C e a relação do volume de massa do catalisador (VCAT) para a
W área da superficie de resfriamento (ACOOL) está entre 0,02m e 0,09m.
5. Método de acordo a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o ponto de ebulição do agente de resfriamento está entre 1OO°C e 25 160°C earelaçãoZ estáentre2,0 e 15.
6. Reator de metanol para uso em um método de acordo a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender dentro de um envoltório comum um leito fixo de partículas de catalisador de metanol e meio de resfiiamento adaptado para indiretamente resfíiar um gás de síntese de metanol com um agente de resfhamento, em que a relação de volume de ma.ssa de catalisador assentado para área de superfície de resfíiamento do · meio de resfriainento (VCAT/ACOOL) do meio de resfiiamento está entre . 5 0,0125meO,l25m.
7. Reator de metanol para uso em um método de acordo a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de compreender dentro de um envoltório comum um leito fixo de um catalisador de metanol e meio de resfíiamento adaptado para indiretamente resfriar um gás de síntese de 10 metanol com um agente de resfriainento, em que a relação (Z) de volume de massa do catalisador para produto de multiplicação de área de superfície de resfhamento do meio de reshiamento coin diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio da seguinte equação: 15 DEQl = (6*(volume de uma partícula do catalisa.dor de síntese de metanol [m3]/3,14)0?33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho e , com partículas de catalisador de diferente tamanho por meio da seguinte equação: DEQ2 = (Zyv(i)*(DEQ(i)'))°3'3 20 onde: u 6 w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m]- " r
8. Reator de metanol para uso em um método de acordo a reivindicação 3, cara-cterizado pelo fato de compreender dentro de um 25 envoltório comum um leito fixo de pmículas de catalisador de metanol e meio de resfiiamento adaptado para indiretamente resfiiar um gás de síntese de metanol com um agente de resfiiamento e meio de aquecimento adaptado para indiretamente manter temperatura do catalisador de metanol COlll um agente de aquecimento, em que a relação de superficie da superfície do meio de aquecimento para o meio de resfíiamento está entre 0,3 e 3,0.
9. Reator de metanol de acordo com a reivindicação 6, - caracterizado pelo fato de que a relação de volume de massa de catalisador . 5 assentado para área de superficie de resfriamento (VCAT/ACOOL) do ineio de resfriamento está entre 0,02m e 0,09m.
10. Reator de metanol de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a relação Z está entre 2 e 15.
11. Reator de metanol de acordo com qualquer uma da 10 reivindicações 6 a 10, caracterizado pelo fato de ainda compreender um equipamento estabilizador de película intema adjacente à superfície do meio de reshiamento.
12. Método de preparar ínetanol, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de reagir um gás de síntese contendo hidrogênio, 15 monóxido de carbono e dióxido de carbono ein um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfíiadas com um agente de resfíiamento, e condensar metanol à medida que ele é preparado sobre uma superficie de resfiiamento por ajuste do agente de resfiiamento em uma 20 temperatura média (TBW) do agente de resfriamento líquido entre 20°C e
W A l70°C, e manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho & W do metanol por ajuste da área da superficie de reshiamento (ACOOL) na temperatura provida do agente de resfídamento em tal modo que a relação do 25 volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para a área da superncie de resfriamento (ACOOL) está entre 0,0125m e 0,125m.
13. Método de preparar metanol, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de reagir um gás de síntese com hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfriadas com um agente de resfíiamento, e condensar metanol à medida que ele é preparado sobre uma . k 5 superficie de resfiiamento por ajuste da pressão do agente de res&iamento para prover uma temperatura média (TBW) do agente de resfíiamento entre 20°C e 170°C, e manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superficie de resfriamento (ACOOL) de tal modo que a relação (Z) de volume de massa de catalisador assentado 10 para produto de área da superficie de resfriamento (ACCOL) e diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio das seguintes equações: DEQ1 = (6*(volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [m3]/3,l4)0>33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho, ou 15 DEQ2 = (Ew(i)*(DEQ(i)'))°'"3 onde: w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
14. Método de acordo as reivindicações 12 ou 13, 20 caracterizado pelo fato de que a temperatura das partículas de catalisador de metanol é mantida acima do ponto de orvalho do metanol por um agente de 4 * aqueciniento incluindo água pressurizada com urn ponto de ebulição entre W .
220°C e 280°C, vapor com um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C ou uma mistura dos mesmos, o agente de aquecimento sendo passado através de um 25 meio de aquecimento intemo tendo uma área de superficie de modo que a relação da superficie de meio de aquecimento para a superfície da área de resfíiamento (ACOOL) está entre 0,3 e 3,0.
15. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a temperatura média do agente de resfriamento líquido está entre 90°C e 160°C e a relação do volume de massa do catalisador (VCAT) para a área da superfície de resfíiamento (ACOOL) está entre 0,02m e 0,09m. 6
16. Método de acordo a reivindicação 13, caracterizado pelo , 5 fato de que a teinperatura média do agente de resfíiamento líquido está entre 90°Ce160°CearelaçãoZestáentre2,Oe 15.
17. Reator de metanol para uso em um método de acordo a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de compreender dentro de um envoltÓrio comum um Ieito fixo de partículas de catalisador de metanol e 10 meio de resfíiamento adaptado para indiretamente resfriar um gás de síntese de metanol com um agente de resfriamento, em que a relação de volume de massa de catalisador assentado para área de superfície de resfriamento do meio de reshiamento (VCAT/ACOOL) do meio de resfíiamento está entre 0,0125m e 0,125m.
15
18.Reator de metanol para uso em um método de acordo a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreender dentro de um envoltório comum um leito fixo de um catalisador de metanol e meio de resfíiamento adaptado para indiretamente resfíiar um gás de síntese de metanol com um agente de reshiamento, em que a relação (Z) de volume de 20 massa do catalisador para produto de multiplicação de área de superfície de
O resfiiamento do meio de resfíiamento com diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do
K catalisador é calculado por meio da seguinte equação: DEQ] = (6*(volume de uma partícula do catalisador de síntese 25 de metanol [m3]/3,14)0333 com partículas de catalisador do mesmo tamanho e com partículas de catalisador de diferente tamanho por meio da seguinte equação: DEQ2 " (Ew(i)*(DEQ(i)'))°>'3,
onde: w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
19. Reator de metanol para uso em um método de acordo a 5 reivindicação 14, caracterizado pelo fato de compreender dentro de um envoltÓrio comum um leito fixo de partículas de catalisador de metanol e meio de reshiamento adaptado para indiretamente resfriar um gás de síntese de metanol com um agente de resfriamento e meio de aquecimento adaptado para indiretamente manter a temperatura do catalisador de metanol com um agente de aquecimento, em que a relação de superfície da superficie do meio de aquecimento para o meio de resfriamento está entre 0,3 e 3,0.
20. Reator de metanol de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a relação de volume de massa de catalisador assentado para área de superfície de resfriamento (VCAT/ACOOL) do meio de resfíiamento está entre 0,02m e 0,09m.
21. Reator de metanol de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a relação Z está entre 2 e 15.
22. Reator de metanol de acordo com qualquer uma da reivindicações 17 a 21, caracterizado pelo fato de ainda compreender equipamento estabilizador de película intema adjacente à superficie do meio de resfriamento.
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