BRPI1105279B1

BRPI1105279B1 - grade externa modular para os reatores com camadas radiais

Info

Publication number: BRPI1105279B1
Application number: BRPI1105279A
Authority: BR
Inventors: Sanchez Eric; Deleau Fabrice; Bazer-Bachi Frederic
Original assignee: Ifp Energies Now
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2018-10-09
Also published as: BRPI1105279A2; RU2011143549A; CN102463076B; CN102463076A; SA111320881B1; FR2966751B1; RU2567547C2; FR2966751A1

Abstract

grade externa modular para os reatores com camadas radiais. a presente invenção refere-se a uma grade externa para os reatores com camada radial com escoamento cruzado de gás, de tipo refinação catalítica ou isomerização estrutural, essa grade sendo dividida em módulos paralelepipédico sensivelmente iguais. essa grade apresenta uma facilidade de montagem e de reparo e maior resistência mecânica do que uma grade, de acordo com a técnica anterior.

Description

(54) Título: GRADE EXTERNA MODULAR PARA OS REATORES COM CAMADAS RADIAIS (51) lnt.CI.: B01J 8/00; B01J 8/02; B01J 8/12; C10G 35/00; C10G 45/58; C10G 49/00; C10G 50/00 (30) Prioridade Unionista: 28/10/2010 FR 10/04.243 (73) Titular(es): IFP ENERGIES NOUVELLES (72) Inventor(es): ERIC SANCHEZ; FREDERIC BAZER-BACHI; FABRICE DELEAU (85) Data do Início da Fase Nacional: 24/10/2011

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para GRADE EXTERNA MODULAR PARA OS REATORES COM CAMADAS RADIAIS. DOMÍNIO DA INVENÇÃO

A presente invenção refere-se no domínio das unidades de refi5 nação com camada radial, a camada catalítica sendo confinada entre um compartimento externo e um compartimento interno, e a carga que atravessa a camada de forma cruzada em relação ao escoamento do catalisador.

Mais precisamente, nesse tipo de unidades com camada radial, a camada de catalisador tem uma forma anular pelo fato de se estender a partir da periferia externa do compartimento até à periferia interna desse compartimento que define o coletor central, permitindo a coleta dos efluentes.

A carga é geralmente introduzida pela periferia externa da camada anular e atravessa a camada catalítica de maneira sensivelmente per15 pendicular à direção vertical de escoamento desta. Os efluentes reacionais são recuperados em um coletor central.

A presente invenção refere-se ao aspecto mecânico dos reatores com fluxo radial e ela visa mais precisamente a melhorar a resistência mecânica do compartimento externo, denominada na seqüência do texto a grade externa, assim como a facilitar as operações de montagem e de reparo dessa grade.

Com efeito, a grade externa pode ser submetida a importantes esforços mecânicos, quando de fases transitórias não totalmente controladas, tais como as situações de parada de urgência, de exotermicidade brutal não controlada, ou ainda de não respeito dos procedimentos operacionais, situações que podem levar a um desgaste de uma parte do compartimento externo.

Certos reatores são particularmente sensíveis a essa problemática considerando-se seu tamanho importante que pode atingir 5 metros de diâmetro e 20 metros de altura.

A grade externa pode sofrer um desgaste por torção, mais ou menos maciço, a estrutura cilíndrica deslizando em torno de sua própria cir2/10 cunferência, apoiando-se sobre a camada de catalisador.

Entende-se por maciço o fato do fenômeno de desgaste afetar uma grande parte da circunferência, em uma certa altura do reator.

Na sequência do texto falaremos para caracterizar esse tipo de deformação, de desgaste de estrutura no sentido de resultar de um esforço vertical voltado para baixo, compreendendo notadamente a retomada de uma parte do peso do catalisador. Esse desgaste induz um enfraquecimento local da estrutura por um efeito de torção global da grade cilíndrica.

EXAME DA TÉCNICA ANTERIOR.

A maioria dos reatores utilizados na indústria petrolífera para realizar as reações de refinação de hidrocarbonetos ou de isomerização estrutural de cortes olefínicos são reatores radiais. A camada catalítica tem a forma de um anel cilíndrico vertical limitado do lado interno por uma grade interna que retém o catalisador, e do lado externo, por uma outra grade do mesmo tipo dita grade externa.

As grades interna e externa são permeáveis e deixam o gás passar através do todo, retendo a matéria granular constituída por essa camada catalítica. Essa permeabilidade permite do lado da grade externa a passagem da carga na camada catalítica anular e do lado da grade interna a passagem dos efluentes de reação no coletor central.

A carga gasosa entra pelo topo do reator e se reparte na zona de distribuição situada entre a parede externa do reator e a grade externa, depois atravessa, de maneira sensivelmente radial, a camada catalítica anular.

Após a travessia da camada catalítica, os efluentes reacionais são coletados em um coletor cilíndrico vertical delimitado por uma grade interna.

O catalisador utilizado nos reatores de refinação pode ter formas diversas, tais como, por exemplo, extrudados, esferas ou outros. A presente invenção não é ligada a uma granulometria ou uma forma particular das partículas do catalisador.

O diâmetro das partículas de catalisador varia geralmente entre

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0,5 e 4 mm, e mais particularmente entre 1,5 e 3 mm. Quando as partículas não são sensivelmente esféricas, por exemplo, têm uma forma de extrudados cilíndricos, a definição do diâmetro é aquela do diâmetro equivalente dito de Sauter, que conserva a relação superfície sobre volume da partícula.

A problemática ligada à tecnologia dos reatores catalíticos com camada radial em fase radial é essencialmente confinar o catalisador na zona anular delimitada pelas grades externa e interna, e isto independentemente das condições operacionais (em operação normal, em situação de resfriamento, de aquecimento, ou em caso de parada de urgência) podendo gerar dilatações diferenciais consideráveis ligadas aos diferentes níveis térmicos da unidade.

Segundo a técnica anterior, as grades externa e interna são constituídas de uma ligação de fios verticais, tendo geralmente um perfil em V, mantidos solidários entre si por um conjunto de anéis metálicos denomi15 nados anéis horizontais soldados nos fios verticais em qualquer ponto de contato com estes.

A rigidez do conjunto constituído pelos anéis horizontais e pelos fios verticais é ligada à deformabilidade das malhas da grade.

No caso da fabricação das grades atuais, essa rigidez é limitada 20 pelas conexões dos fios verticais e dos anéis horizontais realizadas por soldagem.

O pedido de patente FR 09/06017 fornece uma solução por reforço da grade externa por meio de filetes helicoidais formando uma ou várias espirais paralelas que se enrolam em torno dessa grade.

A solução descrita na presente invenção consiste essencialmente em um recorte da grade externa em um certo número de trechos ligados entre si por ligações de tipo padrão, cada trecho tendo uma forma bem definida. As vantagens ligadas à invenção são notadamente:

1) a possibilidade de montar e de reparar a grade externa uni30 camente na zona referida por substituição de um ou vários trechos;

2) o aumento da rigidez da grade em relação a uma grade de mesma dimensão em uma única peça. Esse efeito é ilustrado, por exemplo,

4/10 fazendo parte do presente pedido.

DESCRIÇÃO SUMÁRIA DAS FIGURAS

A figura 1 representa uma vista esquemática de uma unidade com camada radial que permite situar o local da grade, objeto da invenção.

A figura 2 representa uma vista de um módulo que constitui a grade externa, de acordo com a invenção.

A figura 3 representa uma vista de um conjunto de módulos, de acordo com a invenção, dispostas em quinconce.

DESCRIÇÃO SUMÁRIA DA INVENÇÃO

A presente invenção define-se como um modo de constituição da grade externa utilizada nos reatores radiais do tipo dos reatores de refinação catalítica das gasolinas ou de isomerização estrutural dos cortes C5. A presente invenção aplica-se a todos os processos que recorrem a um reator do tipo camada radial com escoamento de catalisador em camada móvel.

Dentre esses processos, pode-se citar o processo etanol para etileno (EtO), o oligocraqueamento dos cortes olefínicos para produzir propileno/etileno, a produção de amoníaco, a desidrogenação das parafinas e dos aromáticos.

A grade externa do reator com camada radial é dividida em módulos paralelepipédicos sensivelmente iguais, cada módulo sendo munido de contornos sensivelmente perpendiculares ao plano do módulo. Orientados para o interior do reator, e de uma largura compreendida entre 1 cm e 10 cm, e preferencialmente entre 1 e 5 cm. Esses contornos permitem a fixação dos módulos adjacentes preferencialmente por parafusação.

Outras possibilidades de fixação dos módulos fazem parte das técnicas conhecidas do técnico, por soldagem por pontos ou por utilização de chaveta, por exemplo.

A presente invenção não está ligada ao modo de fixação dos módulos entre si.

Mais precisamente, um reator em camada radial, de acordo com a invenção, se compõe de uma grade cilíndrica externa de tipo grade Johnson, e de uma grade cilíndrica interna sensivelmente coaxial à grade exter5/10 na, as duas grades definindo entre si um espaço anular contendo a camada de catalisador que escoa o escoamento gravitário, e permitindo a travessia da carga e dos efluentes reacionais em um sentido sensivelmente perpendicular àquele do escoamento do catalisador.

Em um reator com camada radial, segundo a presente invenção, a grade externa é dividida em módulos sensivelmente iguais ligados por parafusação, ou por um sistema de chavetas ou por soldagem por pontos.

Cada módulo tem uma forma de arco paralelepipédico com uma altura H compreendida entre 1/20 e1/2 vezes a altura do reator, e preferencialmente compreendido entre 1/15 e 1/3 vezes a altura do reator.

O lado de um módulo tem uma forma de arco de círculo, e seu comprimento é definido em termos de ângulo a. Considerando-se o raio R da grade externa, o lado de um módulo de ângulo α tem portanto por comprimento R*a.

O raio R da grade é sensivelmente igual ao diâmetro do reator dividido por 2.

O ângulo α está compreendido entre 20° e 90°, e preferencialmente compreendido entre 20° e 60°.

A altura do reator está geralmente compreendida entre 2 e 15 metros, e o diâmetro do reator está geralmente compreendido entre 1 e 10 metros.

A ligação entre dois módulos adjacentes no sentido de dois módulos consecutivos de uma mesma fileira ou de dois módulos superpostos ou parcialmente superpostos (na montagem em quinconce), pode ser realizado por parafusação, ou por um sistema de chaveta, ou por soldagem por ponto.

O modo de ligação dos módulos adjacentes não é uma característica distintiva da invenção, e a ligação entre módulos adjacentes pode ser realizada por qualquer processo conhecido do técnico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A figura 1 mostra um esquema clássico de uma unidade de refinação com camada radial. Compreendendo:

6/10 (1) : uma virola ou envoltório externo do reator (2) : a grade interna contígua ao coletor central 5 (3) : a grade externa (4) : uma tubulação de entrada de gás (5) : o coletor central dos efluentes reacionais.

Essa disposição dos elementos anotados 1 a 5 é segundo a técnica anterior, a invenção se refere à constituição das grades 2 ou 3, e mais particularmente à constituição da grade externa 3.

A descrição que se segue se refere a um módulo constitutivo da grade externa e se baseia na figura 2.

Um módulo é constituído de um trecho de grade Johnson. Uma grade Johnson é constituída por uma série de fios verticais 7 e de anéis horizontais 8, formando uma malha retangular.

Os fios verticais 7 são separados de uma distância horizontal compreendida geralmente entre 0,1 a 5 mm para os processos de refinação catalítica. De uma forma mais precisa, a distância entre fios verticais é inferior ao diâmetro equivalente do catalisador divido por 2.

O diâmetro equivalente do catalisador é definido como sendo o diâmetro que conserva a relação superfície externa sobre volume de uma partícula de catalisador. Ele é também denominado diâmetro de Sauter.

Os fios verticais são mantidos solidários por um conjunto de anéis horizontais 8 separados de uma distância vertical d compreendida entre 5 e 200 mm, e preferencialmente compreendida entre 10 e 100 mm.

Os fios verticais definem interstícios de uma largura compreendida entre 1 e 2 mm.

Um módulo consiste, portanto, em um trecho de grade Johnson contornado sobre seus quatro lados por contornos sensivelmente perpendiculares ao plano desse trecho e orientados para o interior do reator, esse quatro contornos formando uma espécie de armação enrijecedora.

Em uma versão preferida do reator, segundo a presente invenção, cada módulo tem uma altura compreendida entre 1/15 e 1/3 vezes a altura do reator, e um lado de comprimento D/2*a, com α compreendido en7/10 tre 20 e 60°, D designando o diâmetro do reator.

De maneira geral, os módulos que constituem a grade externa se repartem em várias fileiras anotadas de baixo acima de 1 a N, duas fileiras sucessivas, anotadas com I e 1+1, sendo preferencialmente dispostas em quinconce. Entende-se por quinconce o fato de os módulos da fileira 1+1 serem defasados de um semicomprimento em relação aos módulos da fileira I. De maneira geral, a ligação entre dois módulos adjacentes é realizada por parafusação, por um sistema de chaveta, ou por soldagem por pontos, preferencialmente ela é realizada por parafusação.

Os contornos horizontais e verticais de um módulo têm uma espessura compreendida entre 1 e 10, e preferencialmente compreendidos entre 1 e 5 cm.

Preferencialmente os contornos horizontais de um módulo são inclinados para baixo de um ângulo de δ em relação à horizontal compreendido entre 0 e 45°.

Os contornos horizontais 6 podem eventualmente ser menores que os contornos verticais 6 para minimizar a formação de talus de sólido apoiando-se sobre os contornos horizontais.

O reator, segundo a presente invenção, pode se aplicar a qualquer processo, recorrendo-se à tecnologia das camadas radiais com escoamento cruzado da carga e efluentes reacionais.

A título de exemplo, podem-se citar, como processos capazes de colocar em aplicação o reator, segundo a presente invenção, os seguintes processos: refinação regenerativa das gasolinas, isomerização estrutural, metátese, oligocraqueamento, desidrogenação das parafinas, desidrogenação dos aromáticos e produção de amoníaco.

Orifícios 9 são abertos ao longo dos contornos horizontais e verticais para permitir sua ligação, seja por parafusação, seja por um sistema de chaveta. Os módulos podem também ser ligados por soldagem por ponto. O modo preferido de ligação é por parafusação.

Os módulos são geralmente ligados por fileira, isto é, a primeira fileira situada embaixo do reator é constituída de N módulos ligados por seus

8/10 contornos verticais 6'. A segunda fileira fica situada acima da primeira fileira e os módulos desta segunda fileira podem ser, seja alinhados com aqueles da primeira fileira, seja defasados de um semimódulo de maneira a realizar uma montagem em quinconce.

Preferencialmente, é a montagem em quinconce que é utilizada conforme mostrada na figura 3.

EXEMPLO, DE ACORDO COM A INVENÇÃO

O presente exemplo compara um caso 1 de referência e dos casos, de acordo com a invenção.

O caso um de referência 1 correspondente à técnica anterior, constituído de um reator de refinação catalítica com uma grade externa de diâmetro 2500 mm e de altura 8000 mm, e um coletor central de 900 mm de diâmetro. A vazão de carga gasolina a tratar é de 90 toneladas/hora.

Os dois outros casos, de acordo com a invenção:

- caso 2: grade externa constituída a partir de 40 módulos unitários de dimensão lado = 0,785 m, altura = 2 metros;

- caso 3: grade externa construída a partir de 44 módulos unitários de dimensão lado = 1,96 metros, altura = 0,727 metro.

Os contornos horizontais e verticais de cada módulo tem todos 5 cm de largura.

As características geométricas principais do reator são dadas na tabela abaixo:

Diâmetro virola	(mm)	3000
Diâmetro externo grade	(mm)	2500
Diâmetro tubulação entrada	(mm)	800
Distância entrada - coletor	(mm)	3000
Distância virola - coletor	(mm)	1000
Altura grade externa	(mm)	8000
Diâmetro virola	(mm)	3000

Tabela 1

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Caso estudado	1	2	3
Número total de recortes radial	(-)	1	10	4
Número total de recortes altura	(-)	1	4	11
Número total trechos	(-)	1	40	44
Arco grade unitário	(mm)	7854	785,4	1963
Ângulo α correspondente	(grau)		36	90
Altura módulo unitário	(mm)	8000	2000	727
Altura modular/reator	(-)	1	1/4	1/11
Resistência comparada	(-)	Base 1	1,24	1,15

Tabela 2

Para cara configuração, a estrutura global do reator é considerada como sendo aquela de um cilindro ortótropo caracterizado por um módulo de Young para cada direção principal (vertical E1 e horizontal E2).

O grau de ortotropia é definido pela razão entre a espessura equivalente e_qxz em um plano horizontal (definida pela seção dos fios e dos reforços verticais), e a espessura equivalente e_qxy em um plano vertical (definida pela seção dos anéis e dos reforços horizontais).

A solução de reforço será otimizada, se o fator β estiver próximo de 1.

β_ ^xz

X7

O esforço crítico de desgaste da estrutura é definido pela relação:

com os seguintes parâmetros materiais:

- E1, módulo de Young,

- v, coeficiente de Poisson,

- g_t2, fator de penalidade sobre o material ortótropo e com um parâmetro ligado à geometria da estrutura, η, fator de atração.

A comparação entre o esforço real e o esforço crítico ocr permi10/10 te estimar um ganho em resistência.

As configurações em grades por trechos, de acordo com a in venção (caso 2 e 3), permitem respectivamente ganhar 24% e 15% sobre < aumento da carga vertical possível em relação à solução de uma grade ex terna em um único trecho.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1) Reator em camada radial de altura compreendida entre 2 e 15 metros e de diâmetro compreendido entre 1 e 10 metros, compreendendo uma grade cilíndrica externa e uma grade cilíndrica interna sensivelmente coaxiais, definindo um espaço anular contendo a camada de catalisador, no qual a grade externa de diâmetro D é uma grade de tipo Johnson constituído por uma série de fios verticais (7), e de anéis horizontais (8) soldados entre si e formando uma malha retangular, os anéis horizontais (8) sendo separados de uma distância vertical (d) compreendida entre 5 e 200 mm, e preferencialmente compreendida entre 10 e 100 mm, e os fios verticais (7) sendo separados de uma distância horizontal compreendida entre 0,1 e 5 mm e inferior ao diâmetro equivalente do catalisador dividido por 2, essa grade sendo divido em módulos sensivelmente iguais, cada módulo tendo a forma de um arco paralelepipédico com uma altura H compreendida entre 1/15 e 1/3 vezes a altura do reator, e um lado correspondente a um setor angular de ângulo a, lado tendo, portanto um comprimento igual a D/2*a, α estando compreendido entre 20° e 60°, e cada lado de um módulo sendo equipado com contornos que entram para o interior do reator, e sensivelmente perpendiculares ao plano desse módulo, esses módulos constituindo a grade externa, repartindo-se em várias fileiras anotadas de baixo acima de 1 a N, duas fileiras sucessivas, anotadas com I e 1+1, sendo dispostas em quinconce, e os contornos horizontais e verticais de um módulo que tem uma espessura compreendida entre 1 e 10 cm, e preferencialmente compreendidas entre 1 e 5 cm.
2) Reator em camada radial, de acordo com a reivindicação 1, em que, a ligação entre dois módulos adjacentes é realizada por parafusação.
3) Reator em camada radial, de acordo com a reivindicação 1 ,em que, os contornos horizontais de um módulo são inclinados para baixo de um ângulo δ em relação à horizontal compreendido entre 0 e 45 °C.
4) Aplicação do reator radial, de acordo com a reivindicação 1, aos seguintes processos: refinação regenerativa das gasolinas, isomeriza2/2 ção estrutural, metátese, oligocraqueamento, desidrogenação das parafinas, desidrogenação dos aromáticos e produção de amoníaco.

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