ES2210947T3 - Reactor para llevar a cabo reacciones cataliticas con fuerte tonalidad termica. - Google Patents

Reactor para llevar a cabo reacciones cataliticas con fuerte tonalidad termica.

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Abstract

Reactor usado por ejemplo en la epoxidación de olefinas tiene paredes divididas enfriadas con placas metálicas o piezas metálicas insertadas. El reactor tiene paredes divididas refrigeradas con placas metálicas/pieza metálicas insertadas. La refrigeración se consigue alimentando el medio refrigerante en cámaras huecas o intermedias en las placas/piezas insertadas.

Description

Reactor para llevar a cabo reacciones catalíticas con fuerte tonalidad térmica.
La invención se refiere a un reactor para llevar a cabo reacciones con fuerte tonalidad térmica con partículas de catalizador entre tabiques refrigerados en al menos un recipiente del reactor.
De la revista Hydrocarbon Processing, marzo de 1997, página 134 es conocido un reactor de este tipo. Se trata de un reactor de tubos con partículas de catalizador en los tubos. Los tubos se enfrían en la cara de la envolvente del reactor con agua a ebullición u otros portadores de calor adecuados.
La división del recinto de reacción y de las partículas de catalizador en varios tubos asegura que en el caso de una avería en el funcionamiento, una reacción que se autoacelera, provocada por un sobrecalentamiento local, se limite a un tubo de reacción y no abarque todo el reactor. Esta construcción del reactor se ha acreditado, pero también presenta varios inconvenientes.
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La envolvente del reactor debe estar expuesta a la presión del agente refrigerante lo que, en la práctica, son a menudo presiones elevadas. Con ello, la envolvente es muy gruesa y, por consiguiente, costosa, difícil de transportar y está excluido un montaje a pie de obra.
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Los suelos del tubo son muy gruesos en el caso de un gran diámetro y, por consiguiente, costosos y están amenazados por tensiones de calor.
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Los muchos tubos de reacción sólo se pueden soldar en los suelos gruesos de los tubos con una gran complejidad.
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Los muchos tubos de reacción sólo se pueden llenar con gran complejidad. En particular, se ha de tener cuidado a la carga uniforme con una pérdida igual de presión en los distintos tubos, con el fin de que no se sobrecaliente un tubo de reacción demasiado poco solicitado debido a una elevada caída de presión.
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Debido al elevado peso, la mayoría de las veces se utiliza acero al C para el reactor, a pesar de que con ello sea inevitable la herrumbre. Sin embargo, la herrumbre actúa para muchas reacciones como un veneno de catalizador. En el caso del vaciado del catalizador, el reactor debe de ser por lo tanto tratado mediante chorreado con arena, lo que en el caso del gran número de tubos de reacción constituye una considerable complejidad.
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Sólo se pueden realizar reactores verticales.
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La superficie de refrigeración por cada volumen de catalizador sólo puede ser elegida dentro de estrechos límites.
El documento US-A-4.544.544 da a conocer un reactor cilíndrico que está dividido mediante placas paralelas y mediante cierres permeables en recintos de reacción que están llenos de catalizador. Las placas paralelas son recorridas por un agente de refrigeración. La disposición de los recintos de reacción y de las placas del intercambiador de calor paralelas es tal que primeramente penetra en un recinto de reacción un gas y es conducido sucesivamente a través de las placas conductoras de calor en otros recintos de reacción que se encuentran en cada caso entre dos placas de calor.
Del documento US-A-3.127.247 es conocido un reactor que abarca un tanque cilíndrico vertical. En este tanque cilíndrico se encuentran varios recintos huecos concéntricos que están delimitados por placas cilíndricas que pueden ser recorridas por agentes refrigerantes. Los recintos huecos en forma de anillo se llenan de catalizador, con lo que en el reactor están presentes recintos de reacción refrigerables, dispuestos en forma de anillos concéntricos. Las paredes de estos recintos huecos están firmemente unidos con el fondo y la tapa del reactor.
Por lo tanto, es misión de la invención una construcción más sencilla del reactor unida a una mayor seguridad en el funcionamiento en el caso de fallos y que evite los inconvenientes mencionados.
Esta misión se resuelve de acuerdo con la invención por un reactor con las características de la reivindicación 1. Variantes de la ejecución de la invención son objeto de reivindicaciones subordinadas.
Es ventajoso en la invención que en el respectivo reactor los tabiques refrigerados estén formados con ayuda de placas metálicas/unidades constructivas metálicas y que para la refrigeración en las placas metálicas/unidades constructivas están dispuestos recintos huecos o intermedios en forma de canales para el alojamiento y para el paso de un medio refrigerante.
Con los recintos de reacción separados, configurados por los tabiques refrigerados, está excluido un sobrecalentamiento de recintos de reacción contiguos, también en el caso de las averías mencionadas. Las placas metálicas/unidades constructivas metálicas de acuerdo con la invención se pueden adquirir en el comercio en forma de paneles refrigerables o caldeables y posibilitan soluciones económicas para las estructuras internas del reactor.
En el caso del reactor de acuerdo con la invención se reúnen en cada caso varias placas metálicas, preferiblemente de forma vertical, a distancia entre sí para formar un paquete de placas metálicas, y forman de este modo un espacio libre en el que se vierten las partículas de catalizador. Se eliminan los suelos de los tubos y los recintos de reacción entre las placas se han de llenar de modo similar a un lecho sólido sin refrigeración. Esta es una mejora esencial con respecto a un reactor del estado conocido de la técnica.
Los paquetes de placas metálicas se forman a partir de placas planas, dispuestas preferiblemente en paralelo. Placas de este tipo, también los paquetes de placas, se pueden adquirir de un modo económico en el mercado.
En el caso del reactor de acuerdo con la invención se disponen varios paquetes de placas metálicas uno junto a otro en el recipiente del reactor de modo que formen un módulo a base de paquetes de placas, en el que los paquetes de placas son recorridos paralelamente por el gas de empleo. Esto se puede realizar fácilmente, en particular también en el caso de recipientes horizontales. Con ello, los límites de la aptitud de construcción para formar unidades esencialmente mayores se desplazan y se posibilitan caídas de presión más bajas en el caso de utilizar el reactor de acuerdo con la invención.
Preferiblemente, también pueden ser recorridos, paralela o sucesivamente por el gas de empleo varios módulos, ya sea en el mismo recipiente del reactor, preferiblemente uno sobre otro, o dispuestos en varios recipientes del reactor. Junto con la posibilidad de elección entre recipientes del reactor verticales y horizontales, el reactor puede ser adaptado óptimamente de esta forma al espacio disponible y a la caída de presión admitida en el reactor.
Otras ventajas del reactor de acuerdo con la invención resultan de la conjunción de las características de la invención con las de sus formas de realización favorables:
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La envolvente del reactor debe estar expuesta únicamente a la presión del gas de reacción y, por ejemplo, no para la presión elevada del vapor la cual se genera en el enfriamiento con agua de alimentación de la caldera en ebullición.
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El reactor no requiere de suelos de tubos y, por lo tanto, es esencialmente más sencillo que un reactor según el estado conocido de la técnica. Además, las placas metálicas pueden estar formadas de acero noble, de modo que se evitan los problemas antes mencionados en el caso de la utilización de acero al C.
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La superficie de refrigeración por volumen de catalizador puede elegirse libremente dentro de muy amplios límites.
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Dado que los reactores de acuerdo con la invención en el caso del mismo rendimiento son esencialmente más ligeros, el transporte, montaje y los fundamentos son más económicos que en el caso del reactor según el estado conocido de la técnica.
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Los límites de capacidad de construcción y las consideraciones de seguridad no limitan la capacidad de producción instalable en un lugar.
En el caso de una utilización ventajosa del reactor de acuerdo con la invención, entre los tabiques refrigerados del reactor se lleva a cabo una reacción catalítica exotérmica con una fuerte tonalidad térmica.
El reactor puede utilizarse, por ejemplo, en la reacción de acetileno para dar etileno. En el caso de este uso, el reactor de acuerdo con la invención posibilita simplificar el procedimiento tal como se explica más adelante y, al mismo tiempo, fabricar el reactor refrigerado de modo más sencillo, seguro y económico y desplazar sus límites de aptitud de construcción esencialmente en el sentido de unidades mayores.
En el caso del uso del reactor de acuerdo con la invención, los recintos de reacción en el reactor quedan delimitados de modo muy sencillo por tabiques refrigerados, y la refrigeración se alcanza mediante un fluido que fluye dentro de los tabiques, formándose en el caso del reactor de acuerdo con la invención los tabiques refrigerados con placas metálicas y estando dispuestos en las placas metálicas recintos huecos en forma de canales para el alojamiento y la conducción de al menos un fluido.
Mediante los tabiques se forman recintos de reacción separados para la reacción de acetileno para dar etileno. Si, ciertamente, se manifestara una sobre-reacción en uno de estos recintos de reacción, la sobre-reacción queda limitada a este pequeño recinto y no abarca todo el reactor. Esto aumenta de manera muy esencial la seguridad de la producción y solamente con ello se convierte en aceptable construir unidades de reactor esencialmente mayores que las que eran posibles según el estado conocido de la técnica.
Dado que superficies a base de placas metálicas son económicas de fabricar, también se pueden poner a disposición, sin un gran gasto financiero, una superficie adicional para el intercambio de calor. En particular. Junto a la salida del gas del reactor se puede emplear material inerte en lugar de catalizador, de manera que en este lugar del reactor ya no se produce ciertamente ninguna reacción, pero sí una refrigeración por parte de las placas metálicas. De esta manera se asegura que ningún gas caliente procedente de una sobre-reacción caldee la corriente del gas de producto y que en ella pueda desencadenar asimismo la sobre-reacción.
Dado que las placas requieren de poca mecanización, no se está muy limitado en la elección del material. En particular, se pueden realizar aditivos anticorrosión más fácilmente que en el caso de los tubos. Materiales particularmente valiosos y costosos tales como, por ejemplo, Hastelloy, se pueden adquirir más fácilmente en el comercio en forma de chapas que de tubos.
Además, la caída de presión en el reactor de acuerdo con la invención permite atravesar el lecho del catalizador con una mayor velocidad espacial. En este caso, la selectividad del catalizador aumenta, de manera que se hace mayor la distancia de seguridad para una sobre-reacción indeseada.
El reactor de acuerdo con la invención no está limitado a este uso. De manera similar, se pueden derivar otros usos a partir de las propiedades del reactor. En particular, en este reactor se pueden llevar a cabo otras reacciones con una fuerte tonalidad térmica tales como, por ejemplo, epoxidación de olefinas, la conversión de CO para la obtención de H_{2}, la oxidación directa de H_{2}S en azufre elemental, la reacción de Claus, la hidrogenación de hidrocarburos, en particular la hidrogenación selectiva de hidrocarburos tal como la hidrogenación de C_{2}H_{2} para dar C_{2}H_{4}, oxidación de SO_{2} en SO_{3}, la síntesis de metanol, la síntesis de metano, la síntesis de Fischer-Tropsch y la síntesis de NH_{3}. Todas estas reacciones son exotérmicas. En principio, sin embargo el reactor es igualmente adecuado para llevar a cabo en él reacciones endotérmicas. Un ejemplo especial de este tipo es el uso del reactor en una instalación de Claus que es hecha funcionar en el último reactor por debajo del punto de descongelación del azufre (= punto de sub-condensación, funcionamiento PSC). Como se describe en el documento EP 0 283 793, en este procedimiento se intercambian cíclicamente dos reactores y, con ello, se regenera el reactor cargado con azufre. Al comienzo de esta regeneración, se ha de consumir mucho calor con el fin de evaporar el azufre depositado sobre el catalizador. El reactor de acuerdo con la invención puede sustentar este proceso introduciendo un medio de caldeo, por ejemplo agua de alimentación de la caldera caliente para crear vapor a media presión en las placas metálicas, con ello se calienta rápidamente el reactor y, de esta forma, se expulsa el azufre. Durante el funcionamiento normal se continúa entonces calentando el reactor. Cuando se alcanza la temperatura del vapor a media presión, cambia la misión del agua de alimentación de la caldera desde un calentamiento a un medio de refrigeración, es decir mediante la evaporación se genera entonces un vapor a media presión que enfría el reactor.
La invención se explica más detalladamente con ayuda de una forma de realización con una figura.
La figura muestra esquemáticamente una realización del reactor de acuerdo con la invención y su uso en una instalación para la hidrogenación selectiva de acetileno en etileno.
La figura muestra un reactor 2 en forma de un recipiente 10 horizontal, en el que están dispuestos dos módulos 6, 8 a base de paquetes de placas 7. Está indicado que los paquetes 7 se componen de placas paralelas refrigeradas, cuyas aristas están representadas en forma de una línea en la figura. En su constitución, las placas refrigeradas pueden asemejarse a cuerpos de caldeo para habitaciones de viviendas y de oficinas. Los vertidos de catalizador entre las placas no están representados en la figura.
En funcionamiento, al reactor 2 se le aporta un gas de empleo a través de la tubería 1, pudiendo estar el reactor refrigerado con metanol 3 líquido, de modo que en este caso resulta metanol en forma de vapor, evacuándose éste a través de la tubería de evacuación 4. El gas empleado 1, por ejemplo etileno con pequeñas cantidades de acetileno y con hidrógeno, comparado supra-estequiométricamente con una cantidad requerida para la hidrogenación del acetileno en etileno se precalienta con ayuda de un portador de calor 5, que de nuevo puede ser metanol, en un módulo de calentamiento 6 con cuatro paquetes de placas 7 hasta una temperatura de salto de la reacción catalíticamente exotérmica del acetileno en etileno y en un módulo de reacción 8 dispuesto a continuación se hidrogena el acetileno en el empleo.
El gas hidrogenado con respecto al acetileno abandona el módulo de reacción 8 del reactor 2 en la tubería 9 en forma de un producto de etileno con la pureza deseada, o el etileno es aportado adicionalmente a otras etapas de purificación no representadas en la figura. El módulo de calentamiento 6 y el módulo de reacción 8 están dispuestos en un recipiente de reactor 10 común. El módulo de calentamiento 6 contiene partículas inertes y el módulo de reacción 8 contiene partículas de catalizador entre las placas metálicas.
Con ayuda de un ejemplo se ha de explicar una aplicación ventajosa del reactor de acuerdo con la invención.
Ejemplo 1 Aplicación en instalaciones de etileno para la hidrogenación de acetileno
Para la hidrogenación de C_{2}H_{2} se emplean hasta ahora reactores en los que intercambiadores tubulares rectos con catalizador en los tubos se ocupan de la refrigeración necesaria. Reactores de este tipo para una instalación de etileno de aproximadamente 600.000 toneladas/año de capacidad para la producción de etileno tiene los datos característicos siguientes:
\newpage
Dimensiones: 2 reactores de 4,5 m \diameter x 13,8 m, de ellos 1 reactor como 100% de reserva
Peso: en cada caso aprox. 138 t
Material: acero al carbono
Reactores de acuerdo con la invención para una instalación con un rendimiento de producción de 600.000 toneladas/año, presentan, por ejemplo, los siguientes datos:
Dimensiones: 2 reactores de 3,8 m \diameter x 16 m, de ellos 1 reactor como 100% de reserva
Peso: en cada caso aprox. 100 t, de ellas aprox. 80 t de acero al carbono, aprox. 20 t de acero
noble
Material: envolvente: acero al carbono, placas: acero noble
Se paraliza la tendencia a instalaciones de etileno cada vez mayores. Se pretenden cantidades de producción de 1.000.000 de toneladas/año por barra continua. Sin embargo, en el caso de un reactor convencional para la hidrogenación de C_{2}H_{2} el límite de aptitud de construcción se ha alcanzado en aproximadamente 600.000 toneladas/año de capacidad de producción. Si en este punto se ha de pasar a una solución de varias barras continuas, resultan costes adicionales considerables, ya que junto a los reactores paralelos propiamente dichos también son necesarias conducciones tubulares, aparatos reguladores y controles para la solicitación uniforme de todos los reactores. En el reactor de intercambiador de placas, el volumen disponible se aprovecha de manera mucho más eficaz, de modo que en el caso de dimensiones exteriores iguales se ha de incorporar en un reactor de intercambiador de placas aproximadamente un 40% más de volumen refrigerado de catalizador que en un reactor convencional. Con ello, incluso sin el acabado a pie de obra en principio posible en el caso de reactores de intercambiadores de placas se puede alcanzar un rendimiento de aproximadamente un 40% más, es decir en lugar de 600.000 toneladas/año de etileno, aproximadamente 840.000 toneladas/ año. En el caso un acabado a pie de obra también se puede llevar a cabo un generación de etileno todavía mayor con únicamente un reactor para la hidrogenación de C_{2}H_{2}.
Un reactor habitual de este tipo requiere material de aproximadamente 140 t de peso. Las piezas individuales más pesadas son en este caso los suelos de los tubos que en cada caso pesan más de 20 t. Estos suelos de los tubos desaparecen en el caso del reactor de acuerdo con la invención, de modo que, solamente con ello, ya se ahorra material y peso. Un reactor de acuerdo con la invención para una producción de etileno de 600.000 toneladas/año pesa sólo aproximadamente 80 t. Además de ello, resultan ventajas adicionales mediante una menor caída de presión en el recorrido del gas y un tiempo de parada más corto en el intercambio del catalizador.

Claims (14)

1. Reactor para llevar a cabo reacciones con una fuerte tonalidad térmica con partículas de catalizador entre tabiques refrigerados en al menos un recipiente del reactor, estando los tabiques refrigerados formados con ayuda de placas metálicas/unidades constructivas metálicas y, para el enfriamiento en las placas metálicas/unidades constructivas metálicas, están dispuestos recintos huecos o intermedios en forma de canales para el alojamiento y para el paso de un medio de refrigeración, estando reunidas en cada caso varias placas metálicas separadas una de otra y preferiblemente perpendiculares a un paquete de placas metálicas y formando, de esta forma, un recinto libre/recintos libres, en el o los que se vierten las partículas de catalizador y en donde los paquetes de placas metálicos están formados por placas planas y dispuestas preferiblemente en paralelo, caracterizado porque varios paquetes de placas metálicas están dispuestos en el recipiente del reactor uno junto a otro de manera que forman un módulo a base de paquetes de placas en el que los paquetes de placas son recorridos paralelamente por el gas de empleo.
2. Reactor según la reivindicación 1, caracterizado porque varios módulos son recorridos por el gas de empleo, ya sea en el mismo recipiente del reactor, preferiblemente uno sobre otro, o en varios recipientes del reactor dispuestos uno a continuación de otro.
3. Uso del reactor según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque entre los tabiques refrigerados del reactor se lleva a cabo una reacción catalítica con una fuerte tonalidad térmica.
4. Uso según la reivindicación 3, en la conversión de CO.
5. Uso según la reivindicación 3, en la epoxidación de olefinas para la preparación de óxido de olefina.
6. Uso según la reivindicación 3 en la hidrogenación selectiva de hidrocarburos, por ejemplo de C_{2}H_{2} para dar C_{2}H_{4}.
7. Uso según la reivindicación 3, en la hidrogenación no selectiva de hidrocarburos, por ejemplo de C_{2}H_{4} para dar C_{2}H_{6}.
8. Uso según la reivindicación 3 en la síntesis de metano.
9. Uso según la reivindicación 3 en la síntesis de metanol.
10. Uso según la reivindicación 3 en la reacción de Claus.
11. Uso según la reivindicación 3 en la oxidación directa de H_{2}S en azufre elemental.
12. Uso según la reivindicación 3 en la síntesis de Fischer-Tropsch.
13. Uso según la reivindicación 3 en la oxidación de SO_{2} para dar SO_{3}.
14. Uso según la reivindicación 3 en la síntesis de NH_{3}.
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