ES2236235T3 - Reactor tubular con inyector de gas para reacciones cataliticas en fase gaseosa. - Google Patents
Reactor tubular con inyector de gas para reacciones cataliticas en fase gaseosa.Info
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Abstract
Un aparato de reacción química de flujo continuo que comprende un reactor tubular que tiene una longitud, una superficie interior, y que tiene una toma de un primer reactante fluido en un primer extremo y una salida del producto en un segundo extremo, teniendo dicha reactor tubular un conducto interior que tiene una superficie externa extendida en sentido longitudinal dentro de dicho reactor tubular, teniendo dicha conducto una entrada de un segundo reactante fluido en un extremo y al menos un inyector dentro de la longitud de dicho conducto interior, siendo capaz dicho inyector de introducir una cantidad controlada de dicho segundo reactante fluido dentro de una zona de reacción anular definida entre la superficie externa de dicho conducto interior y dicha superficie interna de dicho reactor tubular, en el que dicho inyector comprende un tubo venturi en dicho conducto interior situado para recibir dicho segundo reactante fluido, estando dicho tubo venturi en comunicación de fluido con un canal anular que está situado perpendicular y circunferencialmente alrededor del conducto interior, conectando dicho canal anular con un orificio anular que está en comunicación de fluido con dicha zona de reacción anular.
Description
Reactor tubular con inyector de gas para
reacciones catalíticas en fase gaseosa.
La presente invención se refiere a un aparato de
reacciones químicas de flujo continuo mejorado con inyectores del
fluido para la introducción de un reactante a una zona de reacción
bajo condiciones optimizadas y/o bajo condiciones que evitan
regímenes explosivos.
Varias publicaciones se referencian en la
presente solicitud. Las referencias describen el estado de la
técnica al que pertenece la presente invención.
Un procedimiento de deshidrogenación oxidativa u
oxidación parcial es una conversión de una etapa de hidrocarburos
ligeros en olefinas y ácidos carboxílicos. El procedimiento ofrece
potencialmente muchas ventajas respecto al craqueo y la
deshidrogenación pura que requieren mucho capital y una gran
cantidad de energía. La conversión de hidrocarburos saturados en
olefinas y ácidos carboxílicos con catalizadores de baja
temperatura ha sido desvelada por Thorstienson en un informe
publicado en Journal of Catalysis, vol. 52, pp
116-132 (1978).
En la patente U.S. número 4.250.346 se desvela un
procedimiento para la deshidrogenación de etano a etileno que
sugiere diferentes sistemas de catalizadores de baja temperatura.
La patente europea número EP 0 518 548 A2 da a conocer un
procedimiento para fabricar ácido acético que comprende la
oxidación de etano con oxígeno molecular en una zona de reacción a
una presión de, al menos, 689 kPa mientras que los reactivos están
en contacto con un catalizador sólido que contiene óxidos de
vanadio y fósforo (sistema VOP).
Una reacción de deshidrogenación oxidativa, sin
embargo, presenta problemas tales como: (a) retirada del calor
exotérmico de la reacción, (b) posible escape de la temperatura
asociada, (c) control de selectividad del producto deseado y (d)
limitación de la formación de subproductos oxigenados no deseados y
óxidos de carbono.
Otro problema que está asociado con los procesos
de oxideshidrogenación, así como procesos de oxidación es la
limitación de la relación de oxidante respecto de la alimentación
de hidrocarburos impuesta por las limitaciones de formación de
mezclas explosivas. La necesidad imperiosa de evitar composiciones
que puedan conducir a autoignición, deflagración y detonación
comprende la habilidad del procedimiento para conseguir óptimamente
composiciones de alimentación que satisfagan los requerimientos
estoiquimétricos y cinéticos de la reacción.
Estos problemas han sido tratados en numerosas
patentes. Cada una de ellas trata de superar una o más de las
dificultades mencionadas anteriormente al proponer un sistema de
reactor modificado o una disposición de reactor diferente.
La patente U.S. número 4.899.003, transferida a
Union Carbide, se refiere a un sistema de reactor multietapa donde
un gas de alimentación que comprende etano y oxígeno es convertido
sobre un catalizador de oxideshidrogenación en un gas producto que
comprende etileno, ácido acético, agua, etano y óxidos de carbono.
El gas producto de cada etapa (distinta que la última etapa) es
enfriado y una parte del ácido acético y agua son separados y el
oxígeno es añadido antes de hacer pasar la corriente de gas
producto a la próxima etapa de reacción. El contenido del oxígeno
total en la corriente de alimentación a cualquiera de los reactores
se mantienen por debajo del 6% molar con respecto a la corriente
gaseosa de entrada total en dicha etapa.
La patente U.S. número 5.583.240, transferida a
SRI, se refiere a un reactor con membranas porosas para suministrar
la adicción continua de un reactante en todo el reactor y mezclarlo
en todo el volumen del reactor para minimizar o eliminar altos
gradientes de concentraciones locales y puntos calientes. El otro
reactante se hace fluir a través del interior del tubo de permeación
que contiene los elementos mezclados. Dichos elementos mezclados
fueron reivindicados para incrementar el rendimiento del producto
deseado al incrementar las tasas de transferencia de calor y
masa.
La patente europea número EP 546 677 A1 se
refiere a un lecho fluido para la oxidación de etano en ácido
acético. El procedimiento desvelado incluye tres etapas claves: (1)
enfriar el efluente gaseoso de la zona de reacción; (2) separar la
mayor parte del ácido acético en forma líquida de los gases
efluentes dejando una corriente gaseosa que contiene prácticamente
todo el óxido de carbono contenido en el efluente; (3) purgar una
pequeña parte de dicha corriente gaseosa y reciclar la mayor parte
de la corriente gaseosa como parte de la alimentación a la zona de
reacción. El purgado se realiza para prevenir la acumulación de
óxidos de carbono en la zona de reacción, mientras que el reciclado
sirve para mantener una alta proporción de óxidos de carbono en los
gases de la zona de reacción, sirviendo de ayuda de dicha forma para
moderar el efecto de la elevación de la temperatura de la reacción
de oxidación altamente exotérmica.
La patente U.S. número 5.723.094 se refiere a un
diseño de reactor químico que suministra unas condiciones de
micromezclado mejoradas y zonas de concentración localizadas
reducidas para incrementar la selectividad de la reacción a los
productos deseados. El diseño incluye un tubito capilar dentro, y a
lo largo, de la longitud de los tubos de flujo colocados en un
reactor de carcasa y uno o más distribuidores para distribuir un
primer reactante dentro de los tubos de flujo y un segundo
reactante dentro de los tubos capilares.
La publicación de patente europea número 0 532
325 se refiere a un procedimiento y aparato para la producción de
óxido de etileno. La publicación de patente europea número 0 383
224 se refiere a un reactor de carcasa y tubo y a un procedimiento
que usa el mismo.
Sería deseable suministrar un sistema de reacción
química de flujo continuo que suministre óptimamente composiciones
de alimentación a lo largo de una parte sustancial de la zona de
reacción y satisfaga los requerimientos estequiométricos y
cinéticos de la reacción mientras que se mantenga la mezcla de
reacción dentro de las limitaciones de la formación de mezcla
explosiva y de dicha forma evitar mezclas de reactantes que puedan
conducir a la autoignición, deflagración y detonación.
Un objeto de la invención es superar las
deficiencias anteriormente mencionadas.
Otro objeto de la invención es suministrar un
aparato de reacción química de flujo continuo mejorado.
Otro objeto de la invención es suministrar un
sistema de reacción química de flujo continuo mejorado donde una
cantidad controlada de al menos un reactante fluido es introducido
dentro de la zona de reacción en más de una localización.
Otro objeto más de la invención es suministrar un
sistema químico de flujo continuo mejorado para realizar una
reacción catalítica donde al menos un reactante fluido es
introducido dentro de la zona de reacción en más de una
localización.
Otro objeto más de la presente invención es
suministrar un aparato en el cual uno o más de los reactantes es
alimentado de una forma distribuida optimizada para cumplir con los
requisitos de seguridad y rendimiento.
Otro objeto más de la presente invención es
suministrar un reactor que consiga un perfil de temperatura del
lecho catalítico controlado por medio de una distribución del
reactante o reactantes no uniforme, de forma que el rango de
temperaturas de operación deseada se consiga a lo largo de toda la
longitud del tubo del reactor.
Es otro objeto más de la invención suministrar un
sistema de reacción química de flujo continuo mejorado que
suministre la optimización de las composiciones de la mezcla que
reaccionan a lo largo de una parte sustancial de la zona de
reacción y satisfaga los requerimientos estequiométricos y cinéticos
de la reacción.
Otro objeto más de la invención es suministrar un
reactor en el cual el inventario general total de la mezcla de los
reactantes caiga dentro de una región de composición
insegura/explosiva mientras que en cualquier punto o región dada
dentro del reactor la mezcla composicional esté dentro del dominio
de las composiciones seguras/no explosivas.
Los objetos anteriores, así como otros objetos y
ventajas de la invención se establecerán o resultarán patentes de
la descripción dada a continuación.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un aparato para la adición controlada/optimizada
de reactantes en reacciones químicas de flujo continuo,
preferentemente reacciones de deshidrogenación oxidativa, oxidación
parcial u oxidación. Más específicamente, la invención se refiere a
los inconvenientes de dichos procedimientos altamente potenciales
mediante la adición controlada de un reactante que se consigue por
medio de un tubo central o conducto interior a lo largo de la
longitud de un reactor tubular. El tubo central está provisto con
inyector(es) en una configuración especializada capaz de
introducir una cantidad controlada de reactante en el lugar de los
inyectores dentro de la zona de reacción.
El tubo central está provisto con un inyector
capaz de realizar dos funciones: (1) control de la caída de presión
y (2) control del flujo. Según una forma de realización preferente,
los inyectores permiten la introducción de una cantidad controlada
de reactante dentro de la zona de reacción sin permitir que ninguno
de los reactantes fluya al interior del inyector o al tubo central
desde la zona de reacción.
El inyector comprende una combinación de
elementos de control de presión y flujo y una tobera inyector
anular. En una forma de realización precedente, el fluido
procedente del tubo central, que en la mayoría de los casos es
oxígeno, es obligado a fluir a través de una tobera venturi de
tamaño exacto hasta una sección del tubo central que está corriente
abajo de la tobera inyector anular. La tobera inyector anular es
posteriormente alimentada con un reactante a través de una tobera
de cuello de botella que está conectada a la sección corriente
abajo del tubo central alimentado por la tobera venturi. La tobera
inyector anular está colocada perpendicular y circunferencialmente
alrededor de la parte externa del conducto interior o tubo
central.
El diseño presente ofrece un alto grado de
controlabilidad respecto a la cantidad de inyección de reactante y
las localizaciones de los puntos de inyección al ajustar la
distancia entre los puntos de inyección. Por lo tanto, la inyección
podrá optimizarse de forma tal que solamente la cantidad requerida
cinemáticamente y suficiente de reactante se suministre en cada
punto y estando esto controlado para responder a la variación
espacial de las condiciones de reacción (es decir temperatura,
presión y composición de la mezcla de reacción).
El aparato es apropiado para realizar reacciones
químicas de flujo continuo, como por ejemplo procedimientos de
oxidación, deshidrogenación oxidativa y oxidación parcial que
implican un diseño de reactor caracterizado por la adición
controlada/optimizada de un reactante con el objetivo de: (i) evitar
el régimen de explosión de la mezcla de reactantes (por ejemplo una
mezcla de hidrocarburo/oxidante; (ii) magnificar la selectividad de
la reacción respecto del producto deseado; (iii) limitar el
gradiente de temperaturas del reactor y por lo tanto la posibilidad
del descontrol de la reacción; y (iv) controlar la temperatura de
operación de la zona de reacción de forma que se mantenga el
intervalo de temperaturas deseable en toda la zona.
Según otra forma de realización, un intermediario
o, coalimentación podrá ser inyectado para potenciar el rendimiento
del catalizador o suprima ciertos efectos envenenantes. Esto
suministra otra utilidad de la presente invención.
Los beneficios disponibles al usar la presente
invención incluyen el control preciso del perfil de la temperatura
a lo largo del lecho catalítico al controlar la extensión de la
reacción y la liberación de calor por medio de un control
cuantitativo y posicional de la adición de reactante.
La invención potencia también la productividad
del catalizador al introducir los reactantes en proporciones que no
son posibles con reactores convencionales debido a la limitación
del régimen de explosiones y a la limitación del descontrol de la
reacción.
La invención suministra también una herramienta
para diseñar la reacción de forma tal que la producción del
producto deseado sea optimizada.
La invención permite también el ajuste de la
composición de la mezcla de reactantes en cada punto dentro del
reactor, así como la entrada al reactor, de forma que las mezclas
de reactantes dentro de los regímenes de explosión puedan
limitarse.
Además, la invención mejora el rendimiento del
catalizador mediante la adición retardada de un componente que
invierte su estado de reducción/oxidación o un componente que
remedie la situación de envenenamiento del catalizador.
La figura 1 muestra una sección longitudinal
esquemática a través de un reactor tubular con un flujo descendente
de gas.
La figura 2 muestra un reactor tubular con un
solo tubo de reacción entre el haz de tubos contenidos en el
reactor según la figura 1, con un tubo central mostrado en sección
longitudinal.
La figura 3 muestra una sección longitudinal muy
aumentada de una parte del conducto interno mostrado en la figura 2
que contiene un inyector según una forma de realización de la
invención.
La figura 4 muestra una sección longitudinal muy
aumentada de una parte del conducto interno mostrado en la figura 2
que contiene un inyector distal según una forma de realización de
la invención.
La figura 5 muestra una sección longitudinal del
extremo superior de una forma de realización preferente del
conducto interno de invención que incluye un elemento de caída de
presión y una unidad sellante para sellar el conducto interno
respecto de un panel de tubos relacionado.
La figura 6 muestra una sección longitudinal muy
aumentada de una parte de un conducto interno que contiene un
taladro arrollado en espiral como un elemento de caída
depresión.
La figura 7 muestra una sección longitudinal muy
aumentada de un conducto interno que contiene pellas o material
granular empacado como un elemento de caída de la presión.
La figura 8 muestra una sección longitudinal
esquemática similar a la de la figura 2 a través de un reactor con
un flujo ascendente de gas y que incluye un tubo central con
inyectores según una forma de realización de la invención.
Y la figura 9 muestra una sección longitudinal
similar a la de la figura 2 a través de un solo tubo de reacción
con un flujo ascendente de gas que incluye un tubo central con
inyectores según una forma de realización de la invención.
Un aspecto de la invención se refiere a sistemas
de reacción de flujo continuo mejorados.
Una forma de realización preferente de la
invención se refiere a reactores catalíticos de lecho fijo
multitubular con una característica novedosa del inyector similar
al que se describe con relación a la figura 3. El inyector
satisface preferentemente dos criterios importantes, en cada punto a
lo largo de la longitud del lecho catalítico: (1) control de la
caída de presión; y (2) control del flujo.
Otra forma de realización de la invención se
refiere a un aparato de reacción química de flujo continuo que
comprende una zona de reacción tubular que tiene una longitud y una
toma de primer reactante fluido en un primer extremo y una salida
del producto en un segundo extremo, teniendo la zona de reacción
tubular un conducto interior o tubo central que se extiende en
sentido de la longitud dentro de la zona de reacción tubular,
teniendo el conducto una multiplicidad de inyectores separados a lo
largo de la longitud del conducto, siendo capaz cada uno de los
inyectores de introducir una cantidad controlada de un segundo
reactante fluido dentro de la zona de reacción tubular.
Preferentemente, una parte del segundo reactante
es introducida con el primer reactante vía la toma de primer
reactante fluido.
Otra forma de realización adicional de la
invención se refiere a un aparato de reacción química de flujo
continuo que comprende una pluralidad de zonas de reacción
tubulares con una vasija de transferencia de calor que tiene al
menos una zona de transferencia de calor, teniendo cada una de las
zonas de transferencia de calor una toma del fluido de
transferencia de calor y una salida del fluido de transferencia de
calor, teniendo cada una de las zonas de reacción tubulares una
longitud, una entrada del primer reactante fluido en un primer
extremo, una salida de producto en un segundo extremo y un conducto
interior o tubo central que se extiende el sentido de la longitud
dentro de la zona de reacción tubular, teniendo el conductor
interior o tubo central una pluralidad de inyectores separados a lo
largo de la longitud de la zona de reacción tubular y cada uno de
los inyectores estando adaptado para introducir una cantidad
controlada de un segundo reactante fluido dentro de la zona de
reacción tubular. Preferentemente, la vasija de transferencia de
calor comprende una pluralidad de zonas de transferencia de calor.
Según una forma de realización preferente, la vasija de
transferencia de calor es una vasija cilíndrica.
Preferentemente, el aparato comprende además un
catalizador dentro de la zona, o zonas, de reacción tubular.
Ventajosamente, el aparato comprende además un lecho, o lechos,
catalizador dentro de la zona, o zonas, de reacción tubular y que
rodea el conducto, o conductos, interiores.
Según una forma de realización preferente, el
conducto, o conductos, interior o tubo, o tubos, central es
concéntrico con la zona, o zonas, de reacción tubular.
Preferentemente la zona, o zonas, de reacción tubular tiene una
sección transversal que es sustancialmente circular, siendo el
conducto interior o tubo central concéntrico con la zona de
reacción tubular y la zona de reacción tubular comprende un lecho
catalizador que rodea al conducto interior.
El aparato de la invención comprende una
pluralidad de inyectores, preferentemente entre 2 y 40 inyectores,
más preferentemente entre 4 y 25 inyectores y más preferentemente
entre 6 y 15 inyectores.
Según otra forma de realización preferente, el
aparato comprende además un medio de control de la caída de presión
en el conducto, o conductos, próximo a al menos uno de los
inyectores.
Otra forma de realización de la invención se
refiere a un aparato de reacción química de flujo continuo que
comprende una zona de reacción de lecho fluido que tiene una altura
y que tiene una toma del primer reactante fluido en un extremo
inferior y una salida del producto en un extremo superior, teniendo
la zona de reacción de lecho fluido un conducto interior o tubo
central extendido verticalmente dentro de la zona de reacción de
lecho fluido, teniendo el conducto una pluralidad inyectores
separados a lo largo de la longitud el conducto, cada uno de los
inyectores siendo capaz de introducir una cantidad controlada de un
segundo reactante fluido dentro de la zona de reacción de lecho
fluido.
Otra forma de realización de la invención se
refiere a un aparato de reacción química de flujo continuo que
comprende una pluralidad de zonas de reacción de lecho fluido
dentro de una vasija de trasferencia de calor, que tiene al menos
una zona de trasferencia de calor, teniendo cada una de las zonas de
trasferencia de calor una toma de fluido de trasferencia de calor y
una salida de fluido de trasferencia de calor, teniendo cada una de
las zonas de reacción tubular una altura, una entrada del primer
reactante fluido en un extremo inferior, una salida del producto en
un extremo superior y un conducto inferior extendido verticalmente
dentro de cada una de las zonas de reacción de lecho fluido,
teniendo los conductos interiores una pluralidad inyectores
separados a lo largo de la longitud de las zonas de reacción de
lecho fluido y cada uno de los inyectores estando adaptado para
introducir una cantidad controlada de un segundo reactante fluido
dentro de la zona de reacción de lecho fluido.
Preferentemente, el aparato de lecho fluido es
capaz de operar en un régimen burbujeante. Según una forma de
realización, la zona de reacción es un lecho fluido circulante.
Usando el sistema de reacción de la presente
invención, las reacciones químicas podrán ser realizadas
consiguiendo unos rendimientos y selectividades mejoradas. El
fluido que fluye a través del miembro de distribución podrá ser un
solo componente reactante, una mezcla de componente reactantes, una
mezcla de componente o componentes reactantes y de componente o
componentes inertes.
En uso, el aparato según la invención, una
reacción química continua entre al menos un primer reactante fluido
y al menos un segundo reactante fluido para formar un producto de
reacción, mediante:
(a) introducir continuamente el primer reactante
fluido, y preferentemente una porción del segundo reactante, dentro
de un primer extremo de la zona de reacción tubular, teniendo una
longitud, mediante lo cual el reactante fluye continuamente hacia
un segundo extremo de la zona de reacción tubular;
(b) introducir continuamente el segundo reactante
en fase fluida dentro de un conducto interior que se extiende en
sentido longitudinal dentro de la zona de reacción tubular,
teniendo el conducto interior una pluralidad de inyectores
separados en sentido de la longitud a lo largo del conducto;
(c) introducir el segundo reactante en fase
fluida dentro del primer reactante en fase fluida en una
multiplicidad de puntos a lo largo de la longitud de la zona de
reacción tubular mediante el paso de cantidades controladas del
segundo reactante a través de la pluralidad de inyectores dentro de
la zona de reacción tubular; y
(d) suministrar condiciones conductivas a la
reacción química en la zona de reacción tubular, por medio lo cual
la reacción química prosigue y el producto de la relación es
formado.
Otra forma de realización usando el aparato de la
invención se refiere a realizar una reacción química catalítica que
comprende hacer reaccionar un primer reactante fluido con un
segundo reactante fluido para formar un producto de reacción en un
lecho catalítico, en el que:
(a) el primer reactante fluido es introducido
dentro de un primer extremo de la zona de reacción tubular que
tiene una longitud y que contiene un lecho catalítico, fluyendo el
primer reactante fluido hacia un segundo extremo de la zona de
reacción tubular;
(b) el segundo reactante fluido es introducido
dentro de un conducto dentro de, y concéntrico con, la zona de
reacción tubular, teniendo el conducto una pluralidad de inyectores
según la invención separados en sentido longitudinal a lo largo del
mismo y cada uno de los inyectores introduce una cantidad
controlada del segundo reactante dentro de la zona de reacción
tubular; y
(c) suministrar condiciones conductivas a la
reacción química dentro de la zona de reacción tubular, por medio
de lo cual la reacción química progresa y el producto de una
reacción se forma.
Preferentemente, la zona, o zonas, de reacción
tubular contiene un catalizador y el primer reactante fluido fluye
a través del catalizador.
Según una forma de realización preferente, la
reacción química tiene una temperatura de reacción seleccionada y
la temperatura en la zona o zonas de reacción se mantiene dentro de
los 15 grados C de la temperatura de reacción seleccionada a través
al menos del 50% de la longitud de la zona o zonas de reacción
tubular. Preferentemente, la temperatura de reacción se mantiene
dentro de los 10 grados C, ventajosamente dentro de los 6 grados C
de la temperatura de reacción seleccionada a través al menos del
50% de la longitud de la zona o zonas de reacción tubular.
Según otra forma de realización preferente, el
aparato de la invención permite una reacción química que tiene un
régimen explosivo cuando la concentración del segundo reactante
fluido en la zona de relación tubular está a una concentración
explosiva, comprendiendo adicionalmente controlar la cantidad del
segundo reactante fluido introducido dentro de la zona de reacción
tubular, de forma que la concentración del segundo reactante fluido
sea, al menos, el 70%, preferentemente, al menos, el 80%, más
preferentemente, al menos, el 90%, de la concentración explosiva a
través, al menos, del 50% de la longitud de la zona de reacción
tubular, sin exceder la concentración explosiva en ningún punto a lo
largo de la longitud de la zona de reacción tubular.
Según una forma de realización preferente, el
inventario total general de la mezcla de reacción cae dentro de una
región de composición insegura/explosiva, mientras que en cualquier
punto o región dado dentro del reactor la mezcla composicional está
dentro del dominio de las composiciones seguras/no explosivas.
Según una forma de realización, el sistema de
reacción química se usa para la oxidación parcial del etano a
etileno y ácido acético, en donde el primer reactante fluido
comprende etano y el segundo reactante fluido comprende
oxígeno.
Según otra forma de realización, el sistema de
reacción química se usa para la oxidación parcial del etano a
etileno y ácido acético, en el que el primer reactante fluido
comprende etano y el segundo reactante fluido comprende oxígeno, y
al menos el 10% del etano en el primer reactante fluido se hace
reaccionar para formar ácido acético según una sola pasada a través
de la zona de reacción tubular.
En las siguientes descripciones de las figuras,
se deberá sobrentender que el tubo 40 podrá considerarse ser una
zona de reacción tubular y el tubo central 42 podrá considerarse
que es un conducto interior.
El reactor 2 mostrado en la figura 1 se compone
de una cubierta 3 del reactor cilíndrica vertical y dos un paneles
de tubos 4 y 6 que confinan la cubierta del reactor 3 en la parte
superior e inferior, respectivamente, así como dos cabezas 8 y 10
del reactor que cubren los paneles de tubos 4 y 6.
Una pluralidad o haces de tubos 40 solamente
sugeridos en la figura 1, se extiende entre los paneles 4 y 6 de
tubos estando en comunicación con la cámara 14 de toma de
alimentación situada por encima del panel de tubos superior, así
como una cámara 16 de salida del producto situado por debajo del
panel 6 de tubos inferior. Los tubos 40 están totalmente inmersos
en un fluido de trasferencia del calor que es preferentemente
líquido y que entra en la cubierta 3 del reactor a través de una
toma 18 del fluido de trasferencia de calor y abandona la cubierta
3 del reactor a través de una salida de 20 fluido de trasferencia
de calor. Por razones descritas anteriormente, el cuerpo
desplazador 22 está instalado dentro de la cabeza superior, es decir
la cabeza 8 de entrada lateral del reactor.
Una diferencia entre un reactor tubular
convencional y el representado en la figura 1 es la presencia de un
panel de tubos 24 instalado encima del panel 4 de tubos de toma
lateral. El panel de tubos 24 retiene los extremos de toma de los
conductos internos 42, mostrados con mayor detalle en la figura 2, y
que se extienden dentro de los tubos 40. Por lo tanto en este
diseño, la cámara 14 de toma alimentación está situada entre los
dos paneles de tubos 4 y 24.
En la figura 1, la primera corriente 33 de
reacción está compuesta de dos corrientes 30 y 32 de proceso que
son alimentadas a un mezclador 38 por medio de unos
intercambiadores de calor 34 y 36 separados. Los intercambiadores de
calor 34 y 36 podrán ser usados para recalentar las corrientes 30 y
32 del proceso separadamente según los requisitos específicos del
proceso. Por ejemplo, la corriente 30 del proceso podrá contener un
hidrocarburo y una segunda corriente 32 del proceso podrá contener
aire o oxígeno, o mezclas de los mismos. El mezclador 38 se usa
para combinar las corrientes 30 y 32 del proceso como componentes
de reacción en una forma tal que la primera corriente 33 de reacción
estará de forma fiable justamente por debajo del límite explosivo a
la temperatura esperada dentro de la cámara 14 de toma de
alimentación y en la parte superior del lecho 44 catalítico
(mostrado en la figura 2). La primera corriente de reacción 33
fluye dentro de la cámara 14 de toma de alimentación del reactor 2
a través de una toma 28 de reactante.
La cámara 26 de alimentación de toma 54 del
segundo reactante está localizada centralmente respecto de la
cabeza 8 del reactor. Igualmente, la descarga de la corriente 37 de
producto de la cámara 16 de salida del producto tiene lugar
centralmente respecto de la salida 53 del producto a través de la
cabeza 10 del reactor. La región angular entre los conductos 42
internos (mostrados en la figura 2) y los tubos 40 están rellenos
convencionalmente de forma sustancial con un catalizador 44
granular apropiado.
Tras el contacto de la primera corriente 33 de
reacción con el catalizador 44 (figura 2) dentro de los tubos 40,
la reacción comienza inmediatamente. Durante la reacción, el
componente de reacción, que está presente en una cantidad menor que
la requerida para dirigir la reacción hasta su finalización,
usualmente oxígeno, se consume al menos parcialmente. El incremento
de la porción de oxígeno en la primera corriente 33 de reacción
crearía, sin embargo, el riesgo de explosión. Por otra parte, se
requiere oxígeno adicional para conseguir un rendimiento mayor de
la reacción.
La presente invención en la forma ejemplificada
en la figura 2 remedia este problema por medio de un conducto
interno 42 localizado dentro de los tubos 40, estando equipado cada
conducto interno 42 con al menos uno y preferentemente una
pluralidad de inyectores 58 y 59 para la alimentación adicional del
segundo reactante 39. El segundo reactante 39 es alimentado a la
cámara 26 por medio de un intercambiador de calor 52 y de una toma
54 de reactante en la cabeza 8 del reactor. El cuerpo desplazador
22 (figura 1) dentro de la cabeza 8 del reactor se usa para
minimizar el tiempo de residencia y la cantidad del segundo
reactante 39 dentro de la cámara 26 de toma para minimizar el riesgo
de que el segundo reactante 39, sólo o en combinación con otras
corrientes de alimentación del reactor, produzcan una composición
explosiva.
La figura 2 muestra un reactor 2 que tiene por
objeto la ilustración, un solo tubo 48 que incluye un conducto
interno 42, dos paneles de tubos 4, 6 y 24, y un catalizador 44
confinado entre el tubo 40 y el conducto interno 42. En la mayor
parte de las aplicaciones comerciales, el reactor 2 contendría una
pluralidad de tubos 40 y unos conductos internos 42. El tubo 40
está fijado, de una forma convencional, a los paneles de tubos 4 y
6, como por ejemplo mediante soldadura, y el conducto interno 42
está preferentemente sellado de forma desmontable al panel de tubos
24 por medio de un alojamiento de la empaquetadura 46 que consta de
una empaquetadura anular 48 y un anillo de brida 50 empernado en el
panel de tubos 24. La primera corriente de reacción 33 fluye a
través de la toma 28 de reactante dentro de la cámara 14 de toma de
alimentación y posteriormente dentro del tubo 40. El segundo
reactante 39 fluye a través de la toma de reactante 54 dentro de la
cámara 26 y posteriormente dentro del conducto interno 42.
En la forma mostrada adicionalmente en la figura
2, el conducto interno 42 está provisto con inyectores 58 en
diversas posiciones a lo largo de su longitud. Cada inyector 58
contiene una salida anular 64 (mostrada en la figura 3). La parte
inferior del conducto interno 42 está equipada con un inyector
distal 59, en la forma ilustrada en la figura 4. El tubo central 42
tiene al menos un inyector 58 o 59, de forma que el segundo
reactante 39 podrá ser introducido en una posición o posiciones
seleccionadas en los tubos 40 de una manera totalmente controlada
en función del desarrollo de la reacción dentro del tubo circundante
40. En general, el conducto interno 42 se extenderá al menos sobre
una parte sustancial de la longitud del tubo 40 de reacción
circundante y tendrá una pluralidad de inyectores 58. El flujo del
segundo reactante 39 a través de cada uno de los inyectores 58 o 59
se ajusta para suministrar una concentración próxima a la óptima de
reactantes en la localización de cada uno de los inyectores 58 y
59.
La figura 3 muestra una sección corta muy
aumentada del conducto interno 42 que contiene un inyector 58. El
segundo reactante 39 fluye a través del paso de fluido 66 en el
conducto interno 42. El inyector 58 está en comunicación de fluido
con el paso de fluido 66. El segundo reactante 39 fluye desde el
paso de fluido 66 hasta el canal de toma 60 hasta un tubo venturi
72 hasta el canal de salida 61. Posteriormente, el segundo
reactante 39 fluye al interior del paso 68 de fluido corriente
abajo del tubo venturi 72. Una parte del segundo reactante 39 fluye
posteriormente a través del canal posterior 68 y al cuello de
botella 74 hasta el canal radial 70. Desde el canal radial 70, el
segundo reactante 39 fluye a través del canal anular 52 y la salida
64 del eyector anular para entrar en la zona del reactor en el
catalizador 44. El tubo venturi 72 y/o el cuello de botella 74
están dimensionados con precisión para estrangular y controlar del
flujo del segundo reactante 39. El tubo venturi 72 y los cuellos de
botella 74 podrán estar fabricados como taladros longitudinales
paralelos, lo que permiten la eliminación de rebabas en al menos el
lado de salida de gas.
El diámetro del tubo venturi 72 y los cuellos de
botella 74 variarán genéricamente de un inyector a otro en el
conducto interno 42. La distancia entre los inyectores 58 y/o 59 en
el conducto interno 42 podrá también variar según los requisitos de
la reacción que está siendo realizada. Los inyectores 58 y 59
podrán estar fabricados separadamente y soldados dentro del conducto
interno 42 entre secciones consecutivas del mismo.
El diseño del inyector 58 opera para modificar la
presión del fluido. La presión de la primera corriente 33 de
reactante cae a medida que fluye a través del catalizador 44. Para
permitir un control preciso de la presión diferencial entre los
reactantes y los productos que fluyen a través del catalizador 44 y
el segundo reactante 39 que fluye a través del conducto interno 42
en la localización de cada inyector 58 o 59, los inyectores 58 y 59
están diseñados para crear una caída de presión a través del tubo
central 42 correspondiente a la caída de presión en el lecho
catalizador 44.
La figura 4 muestra una corta sección muy
agrandada del conducto interno 42 que contiene el inyector distal
59. La estructura del inyector distal 59 es esencialmente la misma
que la del inyector 58 y las piezas en la figura 4 llevan los
mismos números que las piezas iguales en la figura 3. El inyector
distal 59 difiere del inyector 58 solamente en su cámara sustituta
67 ciega al paso de fluidos 66 en el extremo corriente abajo del
inyector 59.
La figura 5 muestra una forma de realización
preferente a una escala algo menor del extremo superior (extremo de
toma de gas) del tubo 42 central interno conjuntamente con el panel
de tubos 24 relacionado y con el alojamiento de empaquetadura 46.
El alojamiento de empaquetadura 46 está equipado con dos
empaquetaduras 82 y 84 separadas entre sí por un separador casquillo
80 dentro del taladro ciego 78 taladrado en el panel de tubos 24
desde la parte superior. El extremo superior del taladro 78 ciego
tiene una rosca 86 hembra que retiene el tapón 90 roscado que rodea
el tubo interno 42 y que ejerce presión sobre la empaquetadura
sellante 82 y 84 a través del casquillo 88, y unas empaquetaduras
82 y 84 sellantes de comprensión. El casquillo separador 80 tiene
unos rebajos circunferenciales 94 y 96 interno y externo conectados
entre sí por el taladro 92. El panel de tubos 24 tiene un número de
canales 98 al mismo nivel que el rebajo circunferencial 94 y 96,
que están en conexión con los taladros 92 correspondientes. Los
canales 98 están provistos para conducir el gas de reacción de
fuga, en caso de existir, más allá de la empaquetadura sellante 82 y
84 hasta la sonda de detección de fugas. Esta configuración permite
además la introducción de gas inerte bajo mayor presión que la del
segundo reactante 39 hasta los taladros ciegos 78, a través de los
canales 98 para evitar cualquier penetración del segundo reactante
39 desde la cámara de toma 26 dentro de la cámara 14 de toma de
alimentación adyacente. En la forma mostrada en la figura 5, el
extremo lateral de toma de gas del tubo interno 42 podrá estar
dispuesto con una caperuza 102 que tiene unas aberturas laterales
100 y que terminan en la parte superior de un pomo 104. El pomo 104
podrá ser utilizado para traccionar el tubo interno 42 de su tubo
40 circundante, en caso necesario. Adicionalmente, la caperuza 102
contiene una rejilla 106 está insertada dentro del extremo del
conducto interno 42. La figura 5 muestra que el tubo interno 42
podrá estar dotado de un estrangulamiento en la forma de un tubo
venturi 108 en su extremo de toma de gas para restringir el flujo
del segundo reactante 39 dentro del conducto interno 42.
Las figuras 6 y 7 muestran dos soluciones
opcionales para controlar la presión y el flujo del segundo
reactante 39 a través del tubo interno 42, que podrá estar provisto
en adición a, o como un sustituto de, los tubos venturi 72 y 108
según las figuras 3, 4 y 5. En una forma de realización mostrada en
la figura 6, el husillo 110 está instalado en vez del tubo venturi
72 o 108. En otra forma de realización mostrada en la figura 7, los
gránulos o pellas 112, por ejemplo pellas cerámicas, están
instaladas en vez del tubo venturi 72 o 108. Tanto la profundidad
de los surcos y el paso del husillo 110, así como el tamaño de las
pellas 112 podrán variarse, para proveer las diferentes caídas de
presión y salidas de fluido en las diferentes secciones del tubo
interno 42.
La figura 8 muestra un reactor tubular similar al
mostrado en la figura 1, pero diseñado para toma de fondo de gas.
En este diseño, los conductos internos 42 podrán ser
sustancialmente del mismo diseño que los descritos anteriormente,
pero instalados en la configuración opuesta (invertidos). Las
cámaras 14 y 26 de toma de alimentación están localizadas en el
extremo de fondo del reactor correspondiente, en este caso un
cuerpo 22 desplazador podrá estar instalado dentro de la cabeza 10
inferior del reactor para limitar la capacidad de la cámara 26 de
toma de alimentación. Opcionalmente, unas pellas inertes de grano
grueso podrán ser usadas para el mismo objeto. Unas varillas
tirantes 114 roscadas (mostradas en la figura 9) o similares podrán
usarse para anclar los paneles 4 y 24 de tubos laterales de toma de
gas entre sí.
La figura 9 muestra un reactor que contiene un
solo tubo 40 de un haz de tubos mayor incluidos, como el mostrado
en la figura 1, el conducto interno 42 para toma inferior de gas,
que sin embargo, podrá ser usado también para la toma de gas
superior, en su posición invertida. En esta forma de realización, el
conducto interno 42 se extiende solamente sobre una fracción de la
longitud del tubo 40. El tubo 40 está cubierto con un retenedor 56
catalizador tipo rejilla en el nivel del panel 6 de tubos. En esta
forma de realización, el conducto interno 42 está soldado al panel
24 de tubos. La figura 9 permite también unos dispositivos del
centrado 116 tipo álabe radial fijados al conducto interno 42
dentro del tubo 40. A objeto de desmontar el conducto interno 42 del
reactor 2, podrá, si se desea, ser retirado desde el tubo 40,
conjuntamente con el retenedor 56 del 3 alimentador y los
dispositivos de centrado 116 tipo álabe.
Se hace referencia al documento de patente
WO-A-O-185333
titulado "Aparato para la adición controlada/optimizada de
reactantes en sistemas de reacción de flujo continuo y
procedimientos de uso de los mismos", presentado en la misma
fecha que la presente solicitud.
La descripción anterior de la invención pretende
ilustrar y no limitar. A los expertos en la técnica se les podrán
ocurrir diversos cambios y modificaciones en las formas de
realización descritas. Los anteriores podrán realizarse sin
apartarse del ámbito de la invención en la forma establecida en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (16)
1. Un aparato de reacción química de flujo
continuo que comprende un reactor tubular que tiene una longitud,
una superficie interior, y que tiene una toma de un primer
reactante fluido en un primer extremo y una salida del producto en
un segundo extremo, teniendo dicha reactor tubular un conducto
interior que tiene una superficie externa extendida en sentido
longitudinal dentro de dicho reactor tubular, teniendo dicha
conducto una entrada de un segundo reactante fluido en un extremo y
al menos un inyector dentro de la longitud de dicho conducto
interior, siendo capaz dicho inyector de introducir una cantidad
controlada de dicho segundo reactante fluido dentro de una zona de
reacción anular definida entre la superficie externa de dicho
conducto interior y dicha superficie interna de dicho reactor
tubular,
en el que dicho inyector comprende
un tubo venturi en dicho conducto interior situado para recibir
dicho segundo reactante fluido, estando dicho tubo venturi en
comunicación de fluido con un canal anular que está situado
perpendicular y circunferencialmente alrededor del conducto
interior, conectando dicho canal anular con un orificio anular que
está en comunicación de fluido con dicha zona de reacción
anular.
2. El aparato de reacción química de la
reivindicación 1, que comprende además un catalizador dentro del
reactor tubular.
3. El aparato de reacción química de la
reivindicación 1, en el que el conducto interior tiene una
pluralidad de inyectores.
4. Un aparato de reacción química de flujo
continuo que comprende una pluralidad de reactores tubulares dentro
de una vasija de transferencia de calor, que tiene al menos una
zona de transferencia de calor, teniendo cada una de dichas zonas
de transferencia de calor una toma de fluido de transferencia de
calor y una salida de fluido de transferencia de color, teniendo
cada uno de dichos reactores tubulares una longitud, una toma del
primer reactante fluido en un primer extremo, una salida del
producto en un segundo extremo y un conducto interior que se
extiende en sentido longitudinal dentro de dicha zona de reacción
tubular, teniendo dicha conducto interior una pluralidad de
inyectores separados a lo largo de la longitud de dicha zona de
reacción tubular y estando adaptados dichos inyectores para
introducir una cantidad controlada de un segundo reactante fluido
dentro de dicha zona de reacción tubular,
en el que los inyectores comprenden
un canal de penetración de gas y un canal de salida de gas en
comunicación de fluido con el conducto interior, estando el canal
de penetración de gas conectado a un lado corriente arriba del
conducto interior y el canal de salida de gas conectado a un lado
corriente abajo del conducto interior; el canal de penetración de
gas en el extremo opuesto a la conexión con el conducto interior
estando conectado a, y siendo contiguo con, el tubo venturi,
terminando el tubo venturi en el canal de salida de gas; además de
estar en comunicación de fluido con el lado corriente abajo del
conducto interior, el canal de salida de gas, por medio del lado
corriente abajo del conducto interior, está también en comunicación
de fluido con un canal lateral que termina en un cuello de botella
terminal; en el cuello de botella terminal, el canal lateral está
conectado a un canal lateral radial; el canal lateral radial está
en comunicación de fluido con un canal en forma de anillo anular que
está colocado perpendicular y circunferencialmente alrededor de la
parte externa del conducto interior; el canal en forma de anillo
anular conduce a una salida de gas en un espacio anular que está en
comunicación de fluido con el interior del reactor
tubular.
5. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, en el que dicha vasija de transferencia de calor
comprende una pluralidad de zonas de transferencia de calor.
6. El aparato de reacción química de la
reivindicación 3, que comprende además un catalizador en el
interior de al menos una de las zonas de reacción tubular.
7. El aparato de reacción química de la
reivindicación 1, en el que dicho conducto interior es concéntrico
con dicha zona de reacción tubular.
8. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, en el que dicho conducto interior es concéntrico
con dicha zona de reacción tubular.
9. El aparato de reacción química de la
reivindicación 1, que comprende además un medio de control de la
caída de presión en dicho conducto próximo a, al menos, uno de
dichos inyectores.
10. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, que comprende además un medio de control de la
caída de presión en dicho conducto próximo a, al menos, uno de
dichos inyectores.
11. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, en el que dicha vasija de trasferencia de calor
es una vasija cilíndrica.
12. El aparato de reacción química de la
reivindicación 1, que comprende además un lecho catalizador dentro
de dicha zona de reacción tubular y que rodea a dicho conducto
interior.
13. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, que comprende además un lecho catalizador dentro
de cada una de dichas zonas de reacción tubular y que rodea a
dichos conductos interiores.
14. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, en el que dicha pluralidad de inyectores
comprende entre 2 y 40 inyectores.
15. El aparato de reacción química de la
reivindicación 1, en el que dicha zona de reacción tubular tiene
una sección transversal que es sustancialmente circular, dicho
conducto interior es concéntrico con dicha zona de reacción tubular
y dicha zona de reacción tubular comprende un lecho catalizador
interno que rodea a dicho conducto interior.
16. El aparato de reacción química de la
reivindicación 4, en el que cada una de dichas zonas de reacción
tubular tiene una sección transversal que es sustancialmente
circular, dichos conductos interiores son concéntricos con dichas
zonas de reacción tubular y cada una de dichas zonas de reacción
tubular comprende un lecho catalizador que rodeada a dicho conducto
interior.
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