CH652047A5

CH652047A5 - Axial-radial reactor for heterogeneous syntheses

Info

Publication number: CH652047A5
Application number: CH749481A
Authority: CH
Inventors: Umberto Zardi; Ettore Comandini
Original assignee: Ammonia Casale Sa
Priority date: 1981-11-24
Filing date: 1981-11-24
Publication date: 1985-10-31

Description

La presente invenzione si riferisce a reattori per sintesi eterogenee e più in particolare per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo, «fuel» ed alcoli superiori, monomeri e simili, consistenti di un mantello esterno, di una cartuccia interna comportante una parete piena formatrice di intercapedine colla parete interna del mantello (M), di almeno un letto catalitico (Q-Q) formato da catalizzatore granulare disposto tra un fondo (Fo) e due pareti cilindriche concentriche (Tj-Tj) di cui quella più esterna (T\) è perforata su tutta la sua estensione assiale e quella più interna (T2) non ha perforazioni su una sua estensione minoritaria; di mezzi per l'adduzione dei gas di reazione, di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti, di almeno uno scambiatore di calore, e di mezzi per l'adduzione a questo di gas fresco di scambio. Reattori del genere sono descritti nelle domande di brevetto italiane n. 24334A/79 e n. 22701A/80 della Richiedente; essi si caratterizzano per il fatto che ogni strato o letto catalitico è percorso dai gas di reazione in una zona con flusso prevalentemente assiale, ed in un'altra zona con flusso prevalentemente radiale, la zona a flusso prevalentemente assiale agendo anche da tampone o tappo di tenuta tra strati catalitici. Di' preferenza la cartuccia interna è vantaggiosamente ottenuta per semplice assemblaggio di cartucce elementari, ciascuna formata (procedendo dall'esterno all'interno) da una parete laterale cilindrica piena, da un fondo pieno che può essere la continuazione della parete piena esterna, da una prima parete cilindrica perforata su tutta la sua estensione assiale e da una parete cilindrica interna perforata solo parzialmente, cioè avente almeno una piccola estensione assiale non perforata: il let-5 to catalitico è disposto su detto fondo ed è delimitato da dette pareti laterali completamente rispettivamente parzialmente perforate. Ogni strato o letto catalitico è aperto in alto dove la zona a flusso prevalentemente assiale agisce da tampone di tenuta. Inoltre tra un letto catalitico ed il 10 successivo c'è sempre una zona di separazione nella quale si fanno arrivare i gas freddi da utilizzare per lo scambio di calore (diretto o indiretto) con quelli caldi preriscaldati e/o già parzialmente reagiti. Nel caso di scambio termico indiretto, lo scambiatore di calore tra gas di sintesi freddi 15 e gas di sintesi caldi parzialmente reagiti è disposto assialmente al reattore nella parte centrale degli strati catalitici: i tubi di questi singoli scambiatori sono attraversati internamente dai gas freddi di alimentazione e sono lambiti esternamente dai gas caldi che hanno attraversato (assialmente 20 e radialmente) il letto catalitico avvolgente lo scambiatore in questione, nonché il o gli strati catalitici che lo precedono.

Continuando le sue ricerche, studi ed esperimenti nel campo così vitale ed importante dei reattori assiali- radiali (oggi ancor più vitale per i sostanziali risparmi energetici 25 che si conseguono), la Richiedente è riuscita a realizzare un reattore a flusso assiale-radiale e scambio termico indiretto di grande efficienza e di grande semplicità costruttiva.

Il reattore secondo il trovato del tipo precisato nel 30 preambolo di questa descrizione è ora caratterizzato dal fatto che centralmente ed assialmente ad un letto catalitico è disposto uno scambiatore di calore; che i gas freschi di processo che hanno raffreddato la parete interna del mantello sono raccolti in un condotto centrale allo scam-35 biatore e lo percorrono in un senso (ad es. dall'alto in basso) per poi rifare lo stesso percorso nell'altro senso all'interno dei tubi di detto scambiatore, sboccando preriscaldati nella zona libera superiore al pelo libero del letto catalitico, dove vengono miscelati col gas fresco di scambio 40 alimentato direttamente dall'esterno e diffuso in detta zona; che la miscela di gas di processo preriscaldato e di gas di scambio fresco così ottenuta attraversa prima assialmente e poi radialmente tutto lo strato catalitico, è raccolta in un'intercapedine centrale, ed è portata a lambire l'esterno 45 dei tubi dello scambiatore dal fondo del quale è convogliata direttamente al successivo letto-catalitico che attraverserà prima assialmente poi radialmente per essere raccolta al centro del reattore.

Uno dei vantaggi del trovato è quello che esso consente 50 una costruzione semplice ed efficace di tutto il reattore ed una sua utilizzazione senza perdite di volume dovute al sistema di regolazione della temperatura di processo. In particolare la cartuccia interna può essere ora realizzata con più cartucce modulari impilabili, leggere (hanno una sola 55 parete piena) montabili in situ, e a letto catalitico' a cielo aperto.

Merita sottolineare che sono già noti reattori con scambiatore di calore disposto centralmente ed assialmente ad un letto catalitico; in particolare il brevetto USA numero 60 4 181 701 descrive un reattore a flusso esclusivamente radiale in cui uno scambiatore di calore è disposto nella zona centrale di un letto catalitico ed è alimentato con gas freschi di scambio. Tuttavia non solo sono "diversi e complessi (rispetto all'invenzione) il tipo di reattore (esclusiva-65 mente radiale) ma anche la struttura ed il comportamento dello scambiatore nell'economia di tutto il sistema di regolazione delle condizioni di processo; anche le perdite di volume sono non indifferenti nel detto brevetto 4 181 701.

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I diversi aspetti e vantaggi del trovato appariranno meglio dalla descrizione seguente della forma di realizzazione preferita ma non limitativa rappresentata nel disegno allegato che è una sezione longitudinale schematica e parziale di un reattore secondo il trovato.

Così come descritto nel precedente brevetto svizzero 643 752 della Richiedente la cui descrizione va considerata come parte integrante di questo testo, il reattore consiste di un mantello o involucro esterno a pressione M e di una cartuccia interna che nel disegno allegato è vantaggiosamente rappresentata nella sua forma di realizzazione ottenuta per assemblaggio in situ di più cartucce modulari CU1; CU2.. CUj ... CUn-j, CUn. Per semplicità illustrativa e rappresentativa, si sono mostrati due sole cartucce CL^ e CU2, ciascuna formata da una parete esterna T0 che di preferenza forma corpo unico con un fondo FO e con un coperchio CO. All'interno di T0 si trovano una prima parete cilindrica Tj che è forata su tutta la sua estensione assiale, ed una seconda parete cilindrica T2 che è anch'essa forata ma presenta altresì una estensione T'2 non forata. In altre parole, la parete interna T2 è forata su un'estensione corrispondente alla differenza delle estensioni assiali di Tx e di T'2 cioè a TrT'2. Le pareti laterali Tj e T2 + T'2 delimitano con il fondo FO lo strato o letto catalitico Ct formato da catalizzatore granulare. La stessa struttura di cartuccia modulare (cioè assemblabile per semplice impilamento) si ha con CU2 il cui cesto catalitico C2 è racchiuso tra il fondo FO', la parete interna tutta perforata Tla parete più interna perforata sul tratto T2:2 e non perforata sul tratto T'2.2. In alto detto cesto è libero, cioè tra il fondo FO del cesto superiore Cj e il pelo libero superiore del cesto C2 c'è una zona libera Z2 sostanzialmente analoga alla zona libera Z1 che c'è tra la parete interna del coperchio CO ed il pelo libero superiore dello strato catalitico Cj. In virtù della parete non perforata T'2 (risp. T'22) di ogni cestello la zona di catalizzatore Zla avente l'estensione assiale di T'2 sarà percorsa da flussi di gas prevalentemente assiale mentre la zona Zlb di catalizzatore avente l'estensione della parete perforata T2 sarà attraversata da flusso prevalentemente radiale.

Secondo l'aspetto più importante del trovato, un cestello catalitico in particolare quello più vicino ad un'estremità del reattore, di preferenza all'estremità opposta a quella di ingresso dei gas di processo IG, ha la sua zona anulare centrale occupata da uno scambiatore di calore indiretto HE il quale col suo condotto centrale 15 di raccolta dei gas di processo, con la sua calotta di chiusura inferiore 10 e con la sua serie di tubi scambiatori di calore U realizza una disposizione ed una combinazione critica e vantaggiosa con una corta adduzione di gas fresco di scambio EGI sboccante direttamente nella zona libera Zl del letto catalitico Cj.

Si vedrà in effetti che con un abbinamento felice dei percorsi dei gas di processo nello scambiatore, e del gas di scambio nella zona a cielo libero del letto catalitico si realizza un efficiente sistema di regolazione delle condizioni di processo con un reattore a costruzione semplice ed efficace.

Come si vede dal disegno, i gas di processo freddi (inlet gas) entrano in IG e seguono il percorso dal basso in alto indicato dalle frecce Fj percorrendo l'intercapedine I tra le pareti esterne T0 e Tn-2 delle cartucce CUj, CU2 e la parete interna del mantello M che viene così raffreddato. Alla sommità del reattore questo flusso principale Fj viene convogliato al centro nel condotto 15 disposto centralmente allo scambiatore di calore HE che è così percorso da Fi in un senso ad es. dall'alto in basso. Lo scambiatore HE (disposto centralmente e assialmente al letto catalitico Q) è chiuso in basso dalla calotta 10 per cui i gas Fj sono costretti da 10 a risalire nell'altro senso ad es. verso l'alto passando dentro i tubi U dello scambiatore dal quale fuoriescono nella zona libera Z1 come gas preriscaldati Flp. In questa stessa zona Z1; cioè all'interno del coperchio CO, arriva però anche il condotto 8 alimentato da un flusso di gas fresco di scambio EGI (exchanger by-pass inlet): il condotto 8 termina con un'uscita toroidale 9 e diffonde in Z1 un gas fresco Fe (gas di scambio) che si mescola col flusso di gas principale Flp (in uscita dall'alto dello scambiatore di calore HE) per cui in Z1 si ha la miscela di gas F2 = Flp + Fe la quale attraverserà la prima zona Zla di Cj assialmente per poi proseguire nella zona Zlb del cestello con flusso prevalentemente radiale, raccogliendosi nell'intercapedine 21 al di là della parete T2 perforata. Detto flusso di gas F3 (che per essere il flusso di gas miscelato F2 = Fip + Fe ehe ha attraversato prima assialmente la zona Zla e poi radialmente verso l'interno la zona Zlb del letto catalitico Cj ed è quindi parzialmente reagito e perciò caldo) raccogliendosi in 22 è obbligato ad attraversare lo scambiatore di calore HE cioè a lambire esternamento i tubi U di HE; questo percorso dei gas F3 all'esterno dei tubi U è indicato dalle frecce semicircolari F4. Questi gas indicati con F4 cedono calore al flusso principale di gas F\ (che è Ft dopo aver percorso dall'alto in basso il tubo centrale 15 di HE) che per via della chiusura a mezzo della calotta 10 risale lo scambiatore internamente ai tubi U dai quali fuoriesce in alto come flusso preriscaldato Flp per miscelarisi col flusso secondario di scambio Fe nella zona libera Zx.

Come si vede chiaramente dalla figura il flusso di gas F4 (che è il flusso parzialmente reagito sul letto Cx all'interno del quale, cioè in 21, si era raccolto come flusso Fs) esce dalle bocche anulari inferiori 18 dello scambiatore HE e va sul secondo letto catalitico C2 di cui attraversa il primo tratto (quello avente estensione uguale all'altezza della parete non perforata T'2 2) con flusso prevalentemente assiale, ed il secondo tratto (quello avente l'estensione della parte perforata T2 2) con flusso prevalentemente radiale; il flusso radiale è verso l'interno (centripeto) come nella zona Zji, del primo cestello C1; per cui tutto il gas che ha attraverso anche il secondo cestello catalitico si raccoglie come flusso F5 e fuoriesce tramite il tubo T5 dall'uscita GO (gas outlet). Il sistema di regolazione della temperatura dei gas all'interno del reattore, secondo il trovato, si è rivelato estremamente efficiente, flessibile e affidabile. Basta infatti regolare la quantità di flusso di gas di scambio EGI = Fe in funzione del flusso Fj e delle condizioni di questi dopo preriscaldamento (Flp) per arrivare a stabilire le condizioni ottimali di processo.

La struttura del reattore che consente di realizzare queste condizioni ottimali di processo è costruttivamente semplice ed efficace; non si hanno infatti perdite di volume utile (come nell'arte nota), la cartuccia può essere fatta con elementi impilabili che non necessitano organi di fissazione, sono leggeri perché hanno una sola parete piena, e si montano in situ; non si hanno tubi di adduzione di gas di scambio (EGI) che attraversano il reattore; ogni cesto catalitico rimane aperto in alto per cui non occorrono pareti divisionali tra cesto e cesto; si sfrutta (assialmente) anche il primo pezzo superiore di catalizzatore (che nell'arte nota non è sfruttato), ecc. ecc.

È evidente che il trovato anche se descritto per chiarezza illustrativa con riferimento alla forma di realizzazione più semplice rappresentata nel disegno, non è affatto limitata a questo tipo di esecuzione ma si presta ad essere uti5

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lizzato su reattore con qualsiasi numero di cesti catalitici e con qualsiasi tipo di cartuccia. Così se il numero di cesti è superiore a due si potrà sfruttare o un solo scambiatore secondo il trovato o inserirne almeno un altro in un cesto successivo al secondo.

Anche se la cartuccia è preferibilmente formata da più cartucce impilabili, il trovato si applica altrettanto bene ad una cartuccia in pezzo unico. Analogamente lo scambiatore HE può essere sostituito con un tipo di scambiatore diverso 5 ma a comportamento equivalente.

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1 foglio disegni

Claims

652047 2 RIVENDICAZIONI

1. Reattore per sintesi eterogenee e catalitiche dell'ammoniaca, metanolo, miscele combustibili, alcoli' superiori, monomeri polimerizzabili e simili, consistente di un mantello esterno (M), di una cartuccia interna (CU1-CU2) comportante una parete piena (To) formatrice di intercapedine con la parete interna del mantello', di almeno un letto o cestello catalitico (Ç[-C2) formato da catalizzatore granulare disposto su un fondo (FO) e tra due pareti cilindriche concentriche (TrT2) di cui quella più esterna (TJ è perforata su tutta la sua estensione assiale mentre quella più interna (T2) non ha perforazioni solo su un tratto minoritario (T') della sua estensione, di mezzi (Fj) per l'adduzione dei gas di sintesi (o processo) (IG), di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti (GO), di uno scambiatore di calore dei gas di processo (HE), e di mezzi per l'adduzione allo scambiatore di gas fresco di scambio termico, caratterizzato dal fatto che centralmente ed assialmente ad un letto catalitico (Cx) è disposto uno scambiatore di calore (HE); che i gas freschi di processo (Fj) che hanno raffreddato la parete interna del mantello (M) sono raccolti in un condotto centrale (15) allo scambiatore e lo percorrono in un senso per poi rifare lo stesso percorso nell'altro senso all'interno dei tubi (U) di detto scambiatore (HE), sboccando preriscaldati nella zona libera superiore al pelo libero (Zx) del letto catalitico, dove vengono miscelati col gas fresco (Fe) di scambio (EGI) alimentato direttamente dall'esterno e diffuso in detta zona (Zj); che la miscela (F3) di gas di processo preriscaldato (Fjp) e di gas di scambio fresco (Fe) così ottenuta attraversa prima assialmente e poi radialmente tutto lo strato catalitico (Cj), è raccolta in un'intercapedine centrale (21), è portata a lambire l'esterno dei tubi (U) dello scambiatore (ME) dal fondo del quale è convogliata direttamente al successivo letto catalitico (C2) che attraverserà prima assialmente e poi radialmente per essere raccolta al centro del reattore.

2. Reattore secondo la rivendicazione 1, in cui la cartuccia interna al mantello è formata da più cartucce elementari impilate, ogni cartuccia comportando un cestello catalitico percorribile assialmente e radialmente.