ES2293928T3 - Proceso y aparato que usa una disposicion de placa para precalentamiento y calentamiento de un reactivo. - Google Patents

Proceso y aparato que usa una disposicion de placa para precalentamiento y calentamiento de un reactivo. Download PDF

Info

Publication number
ES2293928T3
ES2293928T3 ES00973901T ES00973901T ES2293928T3 ES 2293928 T3 ES2293928 T3 ES 2293928T3 ES 00973901 T ES00973901 T ES 00973901T ES 00973901 T ES00973901 T ES 00973901T ES 2293928 T3 ES2293928 T3 ES 2293928T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
channels
heating
reaction
catalyst
jet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
ES00973901T
Other languages
English (en)
Inventor
Robert C. Mulvaney
Hemant W. Dandekar
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honeywell UOP LLC
Original Assignee
UOP LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by UOP LLC filed Critical UOP LLC
Application granted granted Critical
Publication of ES2293928T3 publication Critical patent/ES2293928T3/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/48—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents followed by reaction of water vapour with carbon monoxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
    • B01J19/249—Plate-type reactors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/025—Preparation or purification of gas mixtures for ammonia synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/382—Multi-step processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/384—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts the catalyst being continuously externally heated
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange
    • B01J2208/00309—Controlling the temperature by indirect heat exchange with two or more reactions in heat exchange with each other, such as an endothermic reaction in heat exchange with an exothermic reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/0053—Controlling multiple zones along the direction of flow, e.g. pre-heating and after-cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/02—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor with stationary particles
    • B01J2208/021—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor with stationary particles comprising a plurality of beds with flow of reactants in parallel
    • B01J2208/022—Plate-type reactors filled with granular catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2453—Plates arranged in parallel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2451—Geometry of the reactor
    • B01J2219/2456—Geometry of the plates
    • B01J2219/2459—Corrugated plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2462—Heat exchange aspects the reactants being in indirect heat exchange with a non reacting heat exchange medium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2461—Heat exchange aspects
    • B01J2219/2465—Two reactions in indirect heat exchange with each other
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2479—Catalysts coated on the surface of plates or inserts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2477—Construction materials of the catalysts
    • B01J2219/2481—Catalysts in granular from between plates
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
    • B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
    • B01J2219/245—Plate-type reactors
    • B01J2219/2476—Construction materials
    • B01J2219/2483—Construction materials of the plates
    • B01J2219/2485—Metals or alloys
    • B01J2219/2486—Steel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0244—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being an autothermal reforming step, e.g. secondary reforming processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0283—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a CO-shift step, i.e. a water gas shift step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • C01B2203/0475—Composition of the impurity the impurity being carbon dioxide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/06—Integration with other chemical processes
    • C01B2203/068—Ammonia synthesis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0811—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by combustion of fuel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833—Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0838—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel
    • C01B2203/0844—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas by heat exchange with exothermic reactions, other than by combustion of fuel the non-combustive exothermic reaction being another reforming reaction as defined in groups C01B2203/02 - C01B2203/0294
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0877—Methods of cooling by direct injection of fluid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0872—Methods of cooling
    • C01B2203/0883—Methods of cooling by indirect heat exchange
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1011—Packed bed of catalytic structures, e.g. particles, packing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/10—Catalysts for performing the hydrogen forming reactions
    • C01B2203/1005—Arrangement or shape of catalyst
    • C01B2203/1035—Catalyst coated on equipment surfaces, e.g. reactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1241—Natural gas or methane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235—Hydrocarbons
    • C01B2203/1247—Higher hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1258—Pre-treatment of the feed
    • C01B2203/1264—Catalytic pre-treatment of the feed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1276—Mixing of different feed components
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/141—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/14—Details of the flowsheet
    • C01B2203/142—At least two reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C01B2203/143—Three or more reforming, decomposition or partial oxidation steps in series
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/80—Aspect of integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas not covered by groups C01B2203/02 - C01B2203/1695
    • C01B2203/82—Several process steps of C01B2203/02 - C01B2203/08 integrated into a single apparatus
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00—Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Incineration Of Waste (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Heating, Cooling, Or Curing Plastics Or The Like In General (AREA)
  • Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

Un proceso para poner en contacto reactivos con un catalizador en una zona de reacción (40) y calentar indirectamente los reactivos por el contacto con un medio de calentamiento, comprendiendo el proceso: a) pasar un chorro de reactivo a través de una pluralidad de canales de reacción estrechos (29) definidos por espacios entre placas principales (44) y calentar el chorro de reactivo en la ausencia de catalizador en una primera parte (29¿) de los canales de reacción estrechos; b) pasar un medio de calentamiento a través de una pluralidad de canales de calentamiento estrechos (49) definidos por las placas principales (44) y calentar indirectamente el chorro de reactivo en la primera parte de los canales de reacción a través de las placas con el medio de calentamiento en una parte de precalentamiento de los canales de calentamiento para proporcionar un chorro de reactivo calentado en los canales de reacción; c) pasar el chorro de reactivo calentado a través de una segunda parte (29¿) de los canales de reacción (29) y poner en contacto el chorro de reactivo calentado con un catalizador en la segunda parte de los canales de reacción para producir un chorro que ha reaccionado, y d) calentar indirectamente la segunda parte de los canales de reacción con medio de calentamiento cuando pasa a través de una parte de calentamiento primaria de los canales de calentamiento (49); y e) pasar una parte del chorro que ha reaccionado a los canales de calentamiento estrechos (49).

Description

Proceso y aparato que usa una disposición de placa para calentamiento y precalentamiento de reactivo.
Campo técnico
Esta invención se refiere generalmente a intercambiadores de tipo placa para el intercambio de calor indirecto y el calentamiento de reactivos para controlar las condiciones de temperatura en un proceso de reacción.
Antecedentes de la invención
En muchas industrias, como las industrias petroquímicas y químicas, el contacto de fluidos de reacción con un catalizador en un reactor en condiciones de temperatura y presión adecuadas produce una reacción entre los componentes de uno o más reactivos en los fluidos. La mayoría de estas reacciones generan o absorben calor en diversos grados y son, por lo tanto, exotérmicas o endotérmicas. Los efectos de calentamiento o enfriamiento asociados a reacciones exotérmicas o endotérmicas pueden afectar positivamente o negativamente al funcionamiento de la zona de reacción. Los efectos negativos pueden incluir, entre otras cosas: baja producción de producto, desactivación del catalizador, producción de subproductos no deseados y, en casos extremos, daño del recipiente de reacción y de las tuberías asociadas. Más típicamente, los efectos no deseados asociados con cambios de temperatura disminuirán la selectividad o el rendimiento de los productos de la zona de reacción.
Muchas disposiciones pretenden superar los efectos negativos del enfriamiento endotérmico suministrando calor a la reacción. Los métodos más tradicionales emplean múltiples etapas de calentamiento entre etapas de reacción adiabáticas. Otros métodos usan calentamiento in situ por reacciones simultáneas o intercambio de calor indirecto para mantener un perfil de temperatura isotérmico o diferente en la zona de reacción. La Patente de Estados Unidos US-A-5.525.311 proporciona un ejemplo de intercambio de calor indirecto con un fluido de intercambio de calor para controlar el perfil de temperatura en una zona de reacción.
Una diversidad de procesos puede emplear intercambio de calor indirecto con una zona de reacción para controlar los perfiles de temperatura en la zona de reacción. Los ejemplos comunes de reacciones de conversión de hidrocarburos incluyen: la aromatización de hidrocarburos, el reformado de hidrocarburos, la deshidrogenación de hidrocarburos y la alquilación de hidrocarburos.
Otros ejemplos son procesos para la producción de hidrógeno y óxidos de carbono reformando metano en la presencia de vapor u óxidos de carbono. El proceso de reformado por vapor es particularmente bien conocido e implica el paso de una mezcla de materia prima y vapor por un catalizador de reformado por vapor. Los catalizadores de reformado por vapor típicos comprenden níquel y pueden incluir cobalto sobre soportes refractarios tales como alfa alúmina o aluminato de calcio. La naturaleza fuertemente endotérmica de la reacción de reformado por vapor primario requiere un suministro de calor para mantener la reacción. Los especialistas en la técnica equilibran de forma rutinaria los requerimientos de calor endotérmicos del reformado primario con una oxidación parcial de hidrocarburos para proporcionar una reacción de reformado secundario que suministra calor a la etapa de reformado primario y genera gas de síntesis adicional. El funcionamiento de un reformador adiabático para la producción de gas de síntesis se muestra en el documento US-A 4.985.231. El documento US-A 5.300.275 expone otra disposición básica que usa una reacción de reformado secundario para suministrar gas caliente para calentar la reacción de reformado primario. Las patentes de Estados Unidos US-A 4.810.472; 4.750.986; y 4.822.521 describen disposiciones particulares de reactores de intercambio de calor que intercambian indirectamente calor entre gases calientes de la etapa de reformado secundario y la etapa de reformado primario; El documento US-A 4.127.389 muestra una diversidad de diseños de cámara de tubo para suministrar calor a una reacción de reformado primario de una zona de reacción de reformado secundaria. Como se ha establecido por las patentes que se han mencionado anteriormente, la técnica actualmente se basa exclusivamente en disposiciones de tubo, y más comúnmente, la técnica se basa en tubos de doble pared denominados "tubos de bayoneta" para intercambiar calor entre las zonas de reformado primario y secundario. La geometría de los reactores tubulares representa restricciones en el diseño que requieren grandes reactores y una enorme superficie de tubo amplia para conseguir las elevadas eficacias de transferencia de calor deseadas.
Otras aplicaciones del proceso consiguen el intercambio de calor indirecto con placas delgadas que definen canales. Los canales retienen de forma alterna catalizador y reactivos en un conjunto de canales y un fluido de transferencia de calor en canales adyacentes para calentar o enfriar indirectamente los reactivos y catalizadores. Una disposición especifica para transferencia de calor y canales de reactivo que ofrece un control de temperatura más completo se puede encontrar de nuevo en el documento US-A-5.525.311. En los documentos US-A-5.130.106 y US-A-5.405.586 se describen otras disposiciones de placa útiles para transferencia de calor indirecta.
Aunque se conoce a partir de patentes tales como el documento US-A 4.714.593 cómo consumir directamente fuel para el calentamiento indirecto de una zona de reacción, el precalentamiento del suministro se sigue realizando normalmente en el exterior de la zona de reacción. Las disposiciones de proceso típicas que proporcionan calentamiento in situ para controlar temperaturas también emplean alguna forma de calentadores de carga. El calentador de carga lleva todo el suministro entrante hasta la temperatura de reacción inicial antes de que entre en la zona de reacción. El calentador de carga añade costes y complejidad al sistema.
Breve sumario de la invención
Ahora se ha descubierto que una modificación del método y del aparato para calentar indirectamente reactivos en la zona de reacción puede eliminar la necesidad de un calentador de carga. Un proceso que emplea una pluralidad de placas que definen canales estrechos para calentar reactivos en una zona de reacción que contiene catalizador puede prolongar los canales para incluir una sección aguas arriba que precaliente el suministro. La sección de precalentamiento aguas arriba no contiene catalizador. La zona de precalentamiento aumenta la temperatura de los reactivos hasta la temperatura de reacción inicial deseada antes de poner en contacto el suministro con el catalizador en la sección de reacción de los canales. El fluido para calentar la sección de reacción puede ser cualquier fluido de transferencia de calor que entre en los canales de calentamiento en condiciones adecuadas para proporcionar la temperatura necesaria y calentar las partes de precalentamiento y catalíticas de los canales de reacción. Por el contrario, el fluido de intercambio de calor puede ser un chorro de fuel que se somete a combustión en los canales de calentamiento. El metano proporciona un fluido de calentamiento particularmente útil. En algunos casos, el fluido de calentamiento puede comprender el suministro o los componentes reactivos de los canales de reacción. Toda la invención mantiene el calor eliminando la necesidad de un calentador separado en el proceso y retirando las pérdidas de calor asociadas al mismo. De esta manera, la invención consigue una utilización altamente eficaz de la configuración de reacción y calentamiento de placa y canal.
Por lo tanto, es un objeto de esta invención mejorar la eficacia de reactivos de calentamiento en un proceso que usa intercambio de calor indirecto in situ.
Es un objeto adicional de esta invención disminuir los requerimientos de equipamiento durante el calentamiento de reactivos.
La presencia de canales de calentamiento estrechos para contener funciones de reacción y calentamiento constituye un requerimiento esencial de esta invención. Los canales de calentamiento y reacción pueden adoptar muchas configuraciones diferentes que se ajusten al proceso y fluido de calentamiento particulares. La parte de precalentamiento del canal de reacción puede comprender una parte a lo largo de una longitud continua de canal o una longitud separada de canal puede proporcionar la parte de precalentamiento y suministrar los reactivos calentados a un canal de reacción independiente. En canales que se extienden verticalmente, la carga escasa de catalizador en los canales de reacción puede proporcionar un espacio por encima o por debajo de la sección de reformado primario en la que se precalienta el suministro.
Los canales de calentamiento y canales de reacción pueden pasar fluidos en flujo cruzado, paralelo o a contracorriente. El flujo a contracorriente proporcionará la mayor entrada de calor en la parte de reacción de los canales de reacción, y el flujo paralelo maximizará el calentamiento en la parte de precalentamiento de los canales de reacción.
Los canales de calentamiento pueden contener catalizador promotor de la combustión para acelerar la combustión del fuel. Cuando el fuel se consume en los canales de calentamiento, la carga de catalizador de combustión se puede variar en los canales de calentamiento para adaptar los requerimientos de calentamiento del chorro de suministro y la zona de reacción. Controlando la velocidad de combustión de un fuel usando catalizador en canales que calientan indirectamente una zona de reacción por intercambio de calor a través de una superficie de intercambio de calor se pueden moderar las temperaturas mejorando por lo tanto la conversión, la selectividad o ambas. La moderación de la temperatura variando la velocidad de combustión del fuel también puede disminuir la desactivación del catalizador en la zona de reacción. Varios métodos diferentes pueden variar la velocidad a la que el catalizador de combustión promueve la combustión en los canales de calentamiento del fuel. El funcionamiento puede variar las condiciones del proceso tales como el tiempo de permanencia/velocidad espacial. La concentración de los reactivos de fuel también se puede variar por la introducción de fuel o diluyentes adicionales. Otro método de variación puede aumentar la cantidad de catalizador presente en los canales de calentamiento. Aumentando o disminuyendo la carga del material catalíticamente activo de base catalítica a lo largo de la longitud de los canales de calentamiento variará la velocidad de combustión. Además de cambiar el catalizador mediante un cambio en la carga de metales, el tipo de catalizador también puede variar a lo largo de la longitud de los canales de calentamiento. Además, el método de esta invención puede cambiar de forma simple la cantidad de un catalizador uniforme variando el volumen del catalizador por unidad de longitud de flujo a lo largo de los canales. Mediante el uso de un perfil de actividad de catalizador apropiado en los cambios de calentamiento se puede imponer un perfil de temperatura que maximiza la conversión se puede imponer en los canales en los que sucede la conversión del suministro. Desde un punto de vista mecánico, la anchura de sector creciente o decreciente inherente de un reactor de flujo radial proporciona un medio sencillo para variar el volumen de catalizador por longitud de flujo unitaria a lo largo de los canales de calentamiento. El documento US-A-5.405.586 muestra una disposición de reactor de flujo radial con intercambio de calor indirecto que se puede modificar de acuerdo con esta invención para incluir la variación de la combustión de un fuel.
Las disposiciones de placa también pueden variar la carga de catalizador en los canales de calentamiento. Las placas pueden ocupar una parte de los canales para disminuir la carga de catalizador solamente una parte de los canales de intercambio de calor. Una placa gruesa se puede extender a través de una parte de los canales de calentamiento y desplazar ininterrumpidamente catalizador de una parte del canal de intercambio de calor. Se pueden extender pares de placas sólidas a lo largo de una parte de los canales de intercambio de calor para definir volúmenes vacíos de subcanal. Tales subcanales centrales pueden crear capas delgadas de catalizador en el lado externo de los canales de calentamiento en los que se desea menos combustión. El uso de placas perforadas puede proporcionar un método particularmente ventajoso para alterar la carga de catalizador en los canales de calentamiento. El tamaño de las perforaciones puede bloquear la entrada de catalizador en una sub-parte de canal definida por las placas perforadas en los canales de calentamiento mientras que sigue permitiendo el flujo de gas a través de los mismos. Alternativamente, las placas perforadas se pueden extender por toda la longitud de los canales de calentamiento, pero con tamaños de perforación variables. En canales orientados verticalmente, perforaciones pequeñas en una parte superior de la placa pueden evitar que las partículas entren en el espacio superior entre las placas mientras que perforaciones mayores en una parte inferior de las placas pasan catalizador a un área de sub-canal inferior para aumentar el volumen de catalizador relativo de catalizador por longitud unitaria de canal. El uso de placas perforadas de este modo puede facilitar en gran medida la carga y descarga del catalizador de combustión e incluso permitir el intercambio en funcionamiento de la carga de catalizador de combustión variada.
Cámaras de distribución a lo largo de los tramos de canal pueden proporcionar sitios para la inyección intermedia de reactivos o medio de calentamiento. Se pueden proporcionar cámaras de distribución en los extremos de los canales o a lo largo de los puntos centrales, como se desee. Una disposición de tales colectores usa dos o más pilas separadas de placas de intercambio de calor o "pilas de reacción" para realizar diferentes reacciones y etapas de intercambio de calor en bancos aislados. Por ejemplo, una disposición de canales estrechos alternantes en una pila de reacción puede contener solamente catalizador para los canales de calentamiento mientras que una pila de reacción aguas abajo contiene catalizador en los canales de reacción y en los de calentamiento. Un sistema de colectores pasa el suministro precalentado aislado y el efluente de fluido de calentamiento hasta otra sección de los canales de calentamiento y canales de reacción que pone de nuevo indirectamente en contacto el fluido de calentamiento con los reactivos. La integración de los colectores con tuberías externas puede potenciar adicionalmente el control del proceso por la adición o la extracción intermedia de fluido de calentamiento o reactivos.
Una disposición de placa adecuada puede usar placas relativamente lisas con espaciadores intermedios colocados de forma intermitente entre las placas para conservar el espacio del canal y para introducir turbulencias para promover la transferencia de calor. Una disposición enrollada en espiral de canales espaciados estrechamente puede proporcionar un algo grado de puesta en contacto e intercambio de calor. Una forma preferida de los elementos de intercambio de calor comprende placas relativamente planas que tienen ondulaciones definidas en las mismas. Las ondulaciones sirven para mantener el espaciado entre las placas mientras que también ayuda a las placas para proporcionar un sistema bien sostenido de canales estrechos. Se muestran detalles adicionales de la disposición de tales sistemas de placa de nuevo en el documento US-A-5.525.311.
Las disposiciones de placa adecuadas también pueden incorporar placas perforadas. Las placas perforadas más ventajosas permitirían que las cantidades controladas de los reactivos fluyeran directamente desde los canales de zona de reformado primario cuando se suministran a los canales de zona de reformado secundario. Las placas perforadas dispersarían la introducción de los reactivos por una parte deseada de los canales de calentamiento secundarios. Los especialistas en la técnica reconocerán otras variaciones de configuraciones de placa que pueden proporcionar beneficios adicionales a la integración de los canales de calentamiento y de reacción.
En consecuencia, en una realización, esta invención es un proceso para poner en contacto los reactivos con un catalizador en una zona de reacción y para calentar indirectamente los reactivos poniéndolos en contacto con un medio de reacción (a) El proceso pasa un chorro de reactivo a través de una pluralidad de canales de reacción estrechos definidos por placas separadas principales y calienta el chorro de reactivo en la ausencia de catalizador en una primera parte de los canales de reacción estrechos. (b) El proceso también pasa un medio de calentamiento a través de una pluralidad de canales de calentamiento estrechos definidos por las placas principales y calienta indirectamente el chorro de reactivo en la primera parte de los canales de reacción a través de las placas con el medio de calentamiento en una parte de precalentamiento de los canales de calentamiento para proporcionar un chorro de reactivo calentado en los canales de reacción. (c) El chorro de reactivo calentado pasa a través de una segunda parte de los canales de reacción y se pone en contacto el chorro de reactivo calentado con un catalizador en la segunda parte de los canales de reacción para producir un chorro que ha reaccionado mientras que (d) calienta indirectamente la segunda parte de los canales de reacción con medio de calentamiento cuando pasa a través de una parte de calentamiento primaria de los canales de reacción. (e) Una parte del chorro de reacción se pasa a los canales de calentamiento estrechos. En una forma más limitada de esta realización, entra metano en los canales de calentamiento y se somete a oxidación para proporcionar el fluido de calentamiento. Preferiblemente, el metano se pone en contacto con un catalizador de combustión o un catalizador de oxidación en los canales de calentamiento.
En otra realización, esta invención comprende un aparato para poner en contacto reactivos con un catalizador en una zona de reacción mientras que calienta indirectamente los reactivos poniéndolos en contacto con gases de combustión formados en una zona de producción de calor. El aparato incluye una pluralidad de canales de reacción y canales de calentamiento alternos definidos por una pluralidad de placas primarias para que tengan una entrada para reactivo en un extremo de los canales de reacción, una salida para reactivo en un extremo opuesto de los canales de reacción, una entrada para fluido de calentamiento en un extremo de los canales de calentamiento y una salida para fluido de calentamiento en el extremo opuesto de los canales de calentamiento. Los canales de reacción incluyen medios para excluir un catalizador sólido de una parte de precalentamiento de los canales de reacción que se localiza aguas abajo de la entrada para reactivo y para retener un catalizador sólido en una parte catalítica de los canales de reacción localizada aguas abajo de la parte de precalentamiento. El aparato puede incluir medios para suministrar un chorro de reactivo a la entrada para reactivo y para extraer un chorro que ha reaccionado de la salida para reactivo y medios para suministrar un fluido de calentamiento a la entrada para fluido de calentamiento y extraer un fluido de calentamiento de la salida para fluido de calentamiento. El aparato incluye adicionalmente medios para suministrar una parte del chorro que ha reaccionado a la entrada para fluido de calentamiento. En otra forma de esta realización, los canales de calentamiento pueden definir una zona de combustión y retener un catalizador promotor de la combustión. Preferiblemente, el catalizador retenido comprende un catalizador de oxidación y un conducto de oxígeno suministra oxígeno a los canales de calentamiento.
El medio de calentamiento se puede suministrar por un chorro separado, una parte del chorro que ha reaccionado o una parte del chorro de reactivo. Por ejemplo, en el caso de la isomerización de parafina hay a menudo una necesidad de saturar benceno, el benceno que acompaña de forma rutinaria al suministro de parafina. El calor generado por la saturación del benceno puede calentar indirectamente la zona de reacción de isomerización mientras que también precalienta el suministro que entra en la zona de isomerización. En tal proceso, un chorro de suministro que comprende hidrocarburos parafínicos C_{4} a C_{6} y típicamente al menos benceno al 2% pasa a una zona de saturación de benceno que comprende canales de saturación. El intercambio de calor indirecto a través de la pluralidad de placas separadas espaciadas con un fluido de enfriamiento en los canales de intercambio de calor enfría el efluente de la zona de reacción de saturación. Al menos una parte del efluente saturado al menos parcialmente pasa a una zona de isomerización como un suministro de isomerización que isomeriza el suministro de isomerización en la zona de isomerización por la puesta en contacto con un catalizador de isomerización para producir un efluente de isomerización. Al menos uno del chorro de suministros, suministro combinado, suministro de isomerización o efluente de zona de isomerización pasa a través de los canales de intercambio de calor como el fluido refrigerante.
Breve descripción de los dibujos
La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático de una zona de reacción, una zona de calentamiento, un intercambiador de calor y una disposición de calentador de carga de acuerdo con la técnica antecedente.
La Figura 2 es una modificación de la disposición de la técnica antecedente añadiendo una zona de precalentamiento y eliminando el calentador de carga.
La Figura 3 es un diagrama esquemático de un intercambiador de canal de placa vertical que incorpora una disposición de esta invención.
La Figura 4 es un corte del reactor de intercambio de calor esquemático mostrado en la Figura 3 en el corte 4-4.
La Figura 5 es un corte del reactor de intercambio de calor esquemático de la Figura 3 tomado por el corte 5-5.
La Figura 6 es un corte horizontal de reactor de intercambio de calor esquemático mostrado en la Figura 3 tomado por el corte 6-6.
La Figura 7 es un dibujo esquemático de un elemento de placa plano que muestra un patrón ondulado.
La Figura 8 es una vista isométrica de placas onduladas que forman canales de flujo.
Las Figuras 9 y 10 son diagramas esquemáticos que ilustran una disposición de flujo alterno para canales de reacción y calentamiento de acuerdo con esta invención.
Las Figuras 11 y 12 son gráficos que muestran la colocación de zonas de calentamiento y reacción en canales.
Descripción detallada de la invención
En la Figura 1, un chorro del proceso entra en la disposición del proceso por la tubería 10 y pasa a través de un intercambiador de calor 12 que recupera el calor de un chorro de efluente de la zona de reacción 14. El suministro calentado parcialmente por el intercambiador 12 pasa a un calentador de carga 16 por una tubería 18. Una tubería 17 añade fuel al calentador de carga 16. Una tubería 20 lleva el chorro de suministro calentado hasta ponerse en contacto con un catalizador en una zona de reacción 22 para una reacción endotérmica para producir el chorro de efluente 14 que sale del proceso aguas abajo del intercambiador de calor 12 por una tubería 24. La zona de reacción 22 intercambia calor a través de una placa de transferencia de calor 26 con una zona de calentamiento 28. La tubería 30 pasa un medio de calentamiento a la zona de calentamiento 28. Después del intercambio de calor en la zona 28 la tubería 32 extrae el medio de calentamiento enfriado.
En una forma preferida de la invención, el medio de calentamiento comprende un chorro de fuel para la combustión en la zona de calentamiento 28. La tubería 34 recircula una parte del medio de calentamiento de nuevo hasta la entrada de la zona de calentamiento por una tubería 34. Fuel nuevo entra en el bucle del medio de calentamiento por una tubería 36 mientras que una tubería 38 purga componentes de fuel usado. El medio de calentamiento puede comprender metano y aire o cualquier otro fuel combustible adecuado. La zona de calentamiento 28 también puede contener un catalizador de combustión.
La Figura 2 modifica la disposición de la técnica antecedente de la Figura 1 añadiendo una zona de precalentamiento 40 y eliminando el calentador de carga 16. Por tanto, el chorro de suministro entra de nuevo en el proceso por la tubería 10 y se somete a intercambio de calor con el chorro de efluente saliente 14 en el intercambiador 12. La tubería 18' pasa el suministro calentado parcialmente a la sección de precalentamiento 40 de la zona de reacción 41. La sección de precalentamiento 40 no contiene catalizador y sirve para calentar el resto del suministro hasta la temperatura deseada para la reacción que sucede en una sección de reacción catalítica 42 de la zona de reacción 41. Después del intercambio de calor, el chorro de producto abandona el proceso por la tubería 24. En el lado de calentamiento, un fluido de calentamiento 30 pasa de nuevo por la zona de calentamiento 28' y abandona la zona de calentamiento por la tubería 32. Las tuberías 36, 34 y 38 pueden proporcionar de nuevo adición, recirculación y purga cuando el fluido de calentamiento comprende un chorro de fuel.
La zona de calentamiento 28' calienta la sección de precalentamiento 40 y la sección de reacción catalítica 42 de la zona de reacción 41 a través de una placa de intercambio de calor 26'. La cantidad de calentamiento necesario en la zona de precalentamiento 40 así como la temperatura y la capacidad térmica del fluido de calentamiento determinará la longitud relativa de la zona de precalentamiento 40 y la cantidad del área superficial proporcionada por una sección de precalentamiento 43 de la placa 26'. Cuando los reactivos o productos de la zona 41 proporcionan fuel a la zona de calentamiento, el fuel se puede desviar desde la tubería 10 ó 14 hasta la zona de calentamiento 28'. El fuel también se puede inyectar directamente desde la zona de reacción 41 a la zona de calentamiento a través de la placa 26'. Una caída de presión suficiente desde la zona de reacción hasta la zona de calentamiento puede permitir el uso de una placa perforada y evitar el flujo de retorno del fluido desde la zona de calentamiento a la zona de reacción. Se pueden proporcionar perforaciones dimensionadas para controlar el flujo a través de la placa de transferencia de calor en una parte de precalentamiento 43, una sección de reacción catalítica 42 o ambas.
Esta invención puede ser útil para cualquier proceso endotérmico que usa un medio de calentamiento para precalentar el chorro de reactivo hasta la temperatura de reacción deseada y usa el medio de calentamiento para mantener posteriormente la temperatura del chorro de reactivo. Los procesos particularmente adecuados para su uso por esta invención son aquellos en los que el reactivo se somete a calentamiento por la combustión de un fuel. Esta invención puede ser particularmente útil en procesos autotérmicos en los que la conversión de un reactivo o una parte de un chorro que ha reaccionado endotérmicamente proporciona fuel para una reacción exotérmica que calienta la reacción endotérmica. Los requerimientos adicionales de este proceso para la compatibilidad con una disposición de intercambiador de placa requerirán típicamente que haya una \DeltaT relativamente baja entre las zonas de reacción exotérmicas y endotérmicas junto con la \DeltaP relativamente baja a través de las secciones de placa. Temperaturas diferenciales de 200°C o menos se prefieren para esta invención. Las presiones diferenciales preferiblemente no excederán 7 MPa.
Muchas reacciones para la producción de hidrocarburos y productos químicos cumplen estos requerimientos. Los ejemplos de proceso autotérmico incluyen la producción de gas de síntesis de amoniaco sin procesar, producción de chorros de hidrógeno sin procesar, y la producción de gas de síntesis para la conversión a compuestos orgánicos.
En vista específicamente de la producción de gas de síntesis sin procesar como un ejemplo, tal proceso incluye generalmente una etapa primaria para reformar una materia prima de hidrocarburo con un vapor para obtener un gas que contiene óxidos de carbono, hidrógeno, metano y vapor sin reaccionar. En la producción de gas de síntesis, un hidrocarburo fluido tal como gas natural se convierte en una mezcla de gas reformada caliente que contiene principalmente hidrógeno y monóxido de carbono de acuerdo con la reacción (1):
(1)CH_{4} + H_{2}O \leftrightarrow CO + 3H_{2}
que se conoce generalmente como reformado primario y que se usa ampliamente en la producción de gas de síntesis o hidrógeno puro. Esta reacción endotérmica se realiza en la práctica de esta invención pasando una mezcla gaseosa de hidrocarburo fluido y vapor a través de una sección de precalentamiento de un canal de reacción que carece de catalizador y después a través de una sección que contiene catalizador de un canal de reacción. Una composición de catalizador adecuada ocupa la sección catalítica de los canales de reacción.
El calor necesario se suministra a los canales de reacción por una reacción de reformado secundario que oxida un fuel de hidrocarburo fluido. El fuel de hidrocarburo fluido puede comprender un chorro lateral del chorro de suministro de hidrocarburo fluido o una parte del chorro de efluente de reformado primario. La reacción de oxidación suministra el calor al reformador primario por intercambio de calor indirecto a través de las placas de intercambio de calor. Las siguientes reacciones suceden en los canales de calentamiento que contienen la zona de reformado secundario:
2CO + O_{2} \rightarrow 2CO_{2},
(2)
2CH_{4} + O_{2} \rightarrow 4H_{2}2CO, {}\hskip0.2cm y
(3)
2H_{2} + O_{2} \rightarrow 2H_{2}O.
(4)
Las reacciones (2), (3) y (4) son reacciones exotérmicas que tienden a suceder muy rápidamente en el espacio de reacción secundario. Cuando la mezcla de gas resultante pasa a través del lecho de catalizador de la zona del reformador secundario, el metano restante se convierte por reacción con vapor de acuerdo con la anterior reacción (1) y por la reacción con oxígeno de acuerdo con la anterior reacción (2) de forma que queda muy poco metano en el gas producto del proceso. La reacción fuertemente endotérmica (1) es una reacción relativamente lenta que sucede a lo largo del paso de los gases a través de lecho de catalizador de la zona de reformado secundario, enfriando de este modo los gases desde las temperaturas elevadas alcanzadas en las reacciones (2), (3) y (4) que suceden hacia el final de suministro de la zona de reacción secundaria. En la práctica de la invención, las proporciones de oxígeno y de suministro de hidrocarburo fluido pasados a los reformadores integrados primarios-secundarios mantienen un proceso esencialmente, o completamente autotérmico sin esencialmente requerimiento de fuel externo. Una característica ventajosa de la invención es la flexibilidad de la capacidad de derivar una parte del chorro de suministro de hidrocarburo directamen-
te al espacio de reacción de reformado secundario en el extremo de suministro de la zona de reformado secundario.
Las temperaturas de funcionamiento típicas para la producción de gas de síntesis sin procesar están en el intervalo de 420-950°C. Las presiones de funcionamiento específicas empleadas están influenciadas principalmente por los requerimientos de presión de las operaciones del procesamiento posteriores en las que se emplea la mezcla de gas reformado. Cualquier presión superior a la atmosférica se puede usar en la práctica de la mayoría de las operaciones de reformado y es adecuada para la mayoría de las aplicaciones del aparato y proceso de esta invención. Las presiones de funcionamiento en el proceso se sitúan habitualmente en un intervalo de 2 a 10 MPa. Durante la producción de gas de síntesis para la producción de amoniaco, el efluente de la etapa de reformado primario reacciona catalíticamente con una mezcla que contiene oxígeno y nitrógeno, típicamente aire, para convertir partes adicionales de metano e introducir nitrógeno en el chorro de producto. Después de la reacción de conversión y la retirada de CO_{2}, el gas de síntesis
de amoniaco sin procesar tendrá una proporción deseable de hidrógeno a nitrógeno de aproximadamente 2,5 a 3,0.
El chorro de reactivo se pone en contacto con un catalizador en cada uno de los canales de reacción. Los catalizadores en partículas empleados en el reformado de vapor se conocen bien. La zona de reformado secundario contiene comúnmente un lecho de material de catalizador similar. Como una alternativa a catalizador en partículas, el catalizador también se puede aplicar como recubrimiento sobre la superficie de las placas en las diversas zonas de reformado. Puede ser particularmente ventajoso aplicar como recubrimiento el catalizador de reformado primario sobre las placas para proporcionar una sección catalítica superior y una sección sin catalizador inferior que se mantenga en relación de inter-
cambio de calor con una sección de reformado secundario catalítica a lo largo de las placas que definen los canales.
Observando a continuación la Figura 3, para la disposición de flujo de esta invención; un suministro de gas de síntesis que comprende gas natural y vapor en una proporción de vapor a metano de 1,5 a 4 entra en el proceso por la tubería 11 y se somete a intercambio de calor en una intercambiador de calor convencional 13 con un chorro de producto de gas de síntesis llevado por una tubería 15. El chorro de suministro precalentado pasa por la tubería 17 a un cabezal de distribución 19. El cabezal de distribución 19 suministra el suministro calentado a espacios de distribución 21 en un reactor de intercambio de calor 23. Como se muestra adicionalmente en la Figura 4, el espacio de distribución 21 distribuye el gas de síntesis calentado a una pluralidad de canales de reacción de reformado primario 29 por las placas 44. Los canales de reacción retienen un catalizador de reformado en partes superiores 29' y una zona de precalentamiento sin catalizador en partes inferiores 29''. Las partes centrales 21' de los canales de reacción 29 están abiertas a flujo de gas, pero tienen un material de pantalla apropiado localizado a través de las mismas para evitar que el catalizador se caiga desde las partes de canal superiores 29'. Los reactivos de reformado calentados pasan a través de los canales 29. El espacio de recogida 25 recoge el efluente de la zona de reformado primario a través de las partes superiores abiertas 27' de los canales 29. Como se muestra en la Figura 3, un colector 31 recoge el efluente de reformado primario de los espacios de recogida 25 y transfiere el efluente, menos cualquier cantidad tomada por la tubería 15', por una tubería 33 a la zona de reformado secundario. La tubería 15' deriva el efluente de la zona de reformado primario directamente al producto de la tubería 15.
La tubería 33 pasa el efluente primario a un colector 35 que distribuye los gases calientes a los espacios de distribución 47. Una parte del suministro de gas natural puede derivarse por los canales de reacción 29 a través de la tubería 33' y entrar directamente en la zona de reformado secundario. La tubería 34' proporciona oxígeno o aire para la combustión y también puede proporcionar fuel adicional a la zona de reacción secundaria cuando se requiera. Puede tener lugar alguna reacción inicial del efluente de reformado primario en el colector 35 y el espacio de distribución 47. Combinando O_{2} con el chorro de suministro del efluente del reactor primario se debe realizar de un modo que se evite la presencia de oxígeno y otros combustibles en general o proporciones localizadas que entran dentro de los intervalos explosivos potenciales. Las precauciones pueden incluir el uso de elementos de mezcla como un diseño de cabezal especializado para mantener proporciones seguras de las mezclas. Los diseños de cabezal adecuados pueden incluir material de compactación u otro de desplazamiento de volumen para minimizar el volumen de las mezclas de oxígeno y fuel aguas arriba de la reacción de reformado secundario.
Como se muestra adicionalmente por la Figura 5, que representa el corte 5-5 de la Figura 3, los espacios de distribución 47 distribuyen el gas caliente a entradas 37 de canales de calentamiento 49. Opuesto al espacio de distribución 21, el espacio de distribución 47 tiene los fondos de los canales de reacción 29 cerrados a flujo de gas y catalizador para evitar el flujo del efluente de reformado secundario en los mismos. La reacción de reformado secundario principal tendrá lugar en contacto con el catalizador contenido en los canales de calentamiento. El contacto con un catalizador de reformado secundario adecuado en los canales de calentamiento produce directamente calor para calentar indirectamente los reactivos en la zona de reformado primario contenidos en los canales de reacción. Cuando los gases calientes pasan hacia arriba a través de los canales de calentamiento 49, el gran área superficial proporcionado por las placas 44 que definen los canales de reacción y de calentamiento transfiere de forma eficaz calor a los canales de reacción 29.
El espacio de recogida 45 recoge el gas de reformado secundario enfriado de las salidas 46 abiertas de los canales de calentamiento 49. Como se muestra de nuevo en la Figura 3, un colector 48 agrupa el efluente de reformado secundario recogido y lo transfiere a la tubería de producto 15 para la recuperación aguas abajo del intercambiador 13 por la tubería 50.
\global\parskip0.870000\baselineskip
La disposición de los espacios de recogida 25 y 45 para recoger selectivamente el efluente de reformado primario y el efluente de reformado secundario se entiende mejor a partir de la Figura 6. Como se muestra en la Figura 6, las partes de los canales de reacción 29 que coinciden con el espacio de recogida 25 mantienen salidas 27' para la comunicación libre con el mismo. Por el contrario, las partes de los canales de calentamiento 49 que coinciden con el espacio de recogida 25 tienen un cierre 28' que evita la comunicación fluida con el espacio de recogida 25. El espacio de recogida 45 tiene la relación inversa con los canales 29 y 45 en los que partes de los canales 49 coincidentes comunican de forma abierta a través de la salida 46 mientras que las partes coincidentes de los canales 29 tienen bloqueada la comunicación con el espacio de recogida 45 por cierres 47. Los espacios de distribución 21 y 47 tienen una disposición similar para establecer y restringir la comunicación fluida con los canales deseados. La Figura 6 también muestra las divisiones 51 que separan internamente los espacios de recogida 24 de los espacios de recogida 45.
Las placas adecuadas para esta invención comprenderán cualquier placa que permita una velocidad de transferencia de calor elevada. Se prefieren placas delgadas y tienen habitualmente un grosor de 1 a 2 mm. Las placas se componen típicamente de aleaciones ferrosas o no ferrosas tales como acero inoxidable. Las aleaciones preferidas para las placas resistirán temperaturas extremas y contendrán proporciones elevadas de níquel y cromo. Las placas se pueden formar en configuraciones curvas o diferentes, pero se prefieren generalmente placas planas con propósitos de apilado. Las placas pueden ser planas con surcos formados en las mismas para suministrar canales. De nuevo, cada placa puede ser lisa y elementos adicionales tales como espaciadores y lengüetas perforadas pueden proporcionar turbulencia de fluido en los canales. Preferiblemente, cada placa tiene ondulaciones que están inclinadas hacia el flujo de los reactivos y el fluido de intercambio de calor.
La Figura 7 muestra la disposición ondulada preferida en la que las placas 44 que dividen la parte central del reactor de intercambio de calor 23 en canales de calentamiento y canales de reacción están formadas por placas 49' que tienen una disposición ondulada como se muestra en la Figura 7. El patrón ondulado puede servir al menos para dos funciones. Además de soportar estructuralmente placas adyacentes, las ondulaciones promueven la turbulencia para potenciar la eficacia del intercambio de calor en el canal de reacción estrecho. La Figura 7 muestra ondulaciones definidas por crestas 52 y valles 54. La frecuencia o pendiente de las ondulaciones se puede variar como se desee para promover cualquier grado variable de turbulencia. Por lo tanto, ondulaciones más planas, como se muestra por las crestas 52 y los valles 54, producirán menos turbulencia. Mientras que pendientes de ondulaciones mayores, como se muestra por las crestas 56 y los valles 58, pueden proporcionar turbulencia aumentada, cuando se desea. La pendiente de las ondulaciones y la frecuencia también se puede variar a lo largo de un único canal de intercambio de calor para variar el factor de transferencia de calor en diferentes partes del canal. Los canales pueden contener una parte plana 60 en su periferia para facilitar el cierre de los canales en los lados y partes superiores cuando se desee.
La Figura 8 muestra un corte transversal típico de una disposición de placa ondulada en la que las ondulaciones de las placas 62 se extienden en una dirección opuesta a las ondulaciones de las placas 64 definiendo de este modo canales de reacción 66 y canales de calentamiento 68 alternos. La Figura 8 ilustra la disposición preferida de placas onduladas en la que el patrón en espina sobre las caras de placas onduladas opuestas se extiende en direcciones opuestas y las caras de placa opuestas se ponen en contacto entre sí para formar los canales de flujo y proporcionar soporte estructural a las secciones de placa.
En general, la invención se basa en canales relativamente estrechos para proporcionar el intercambio de calor eficaz a través de las placas. Las ondulaciones mantienen una anchura de canal variable definida por la altura de las ondulaciones. De forma general, la anchura de canal es menor de 2,54 cm (1 pulgada) como media con una anchura media de menos de 1,27 cm (½ pulgada). En el caso de las ondulaciones, la anchura de canal media se define prácticamente como el volumen de los canales por el área de corte transversal paralelo al plano primario de las placas. Por estas ondulaciones definidas con de pendiente especialmente recta las paredes laterales tendrán una anchura media que equivale a la mitad de la anchura máxima a través de los canales.
Las zonas de reacción para el proceso de esta invención pueden poner en contacto indirectamente los reactivos con el fluido de intercambio de calor en cualquier dirección relativa. Por tanto, los canales de flujo y las entradas y salidas de las zonas de reacción se pueden diseñar para flujo paralelo, a contracorriente o cruzado de fluido de reactivo respecto al fluido de intercambio de calor.
Tampoco es necesario para la práctica de esta invención que cada canal de reacción se alterne con un canal de calentamiento. Las posibles configuraciones de la sección de reacción pueden colocar dos o más canales de calentamiento entre cada canal de reacción para disminuir la caída de presión en el lado del medio de intercambio de calor. Cuando se usa con este propósito, una placa que separa canales de calentamiento adyacentes puede contener perforaciones.
Los canales adicionales definidos por las placas pueden proporcionar una diversidad de funciones adicionales. Además de los canales para calentar el suministro en las secciones de precalentamiento y catalíticas, otras funciones de canal pueden incluir refrigerar el efluente de la zona de reacción y precalentar adicionalmente el suministro contra otros chorros de efluente. Una disposición de reactor 69 que tiene canales multifuncionales se muestra en las Figuras 9 y 10. La Figura 9 muestra una de estas disposiciones de canal con las funciones de los diferentes canales codificadas en la representación esquemática. Las letras "FP" indican un canal de precalentamiento de suministro. Las letras "SR" indican una reacción secundaria con propósitos de calentamiento y las letras "PR" representan una reacción primaria.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Como se muestra por la Figura 9, el flujo de fluido a través de los canales del modo deseado requiere dos disposiciones de espacio de recogida y de distribución diferentes. El flujo de fluido a través de los espacios de distribución/recogida se puede controlar de manera análoga a la descrita y representada en las Figuras 3-6. Observando de nuevo la Figura 9, el suministro a la zona de reacción primaria pasa a través de los canales de precalentamiento de suministro 70 en los que el intercambio de calor indirecto con los canales de reacción secundaria 72 aumenta la temperatura del suministro hasta la deseada para la reacción inicial en los canales de reacción primaria 74. El suministro precalentado de los canales 70 fluye a un espacio de colector 76. El espacio de colector 76 comunica el suministro precalentado con los canales de reacción primaria 74. El suministro precalentado pasa hacia arriba a través del canal de reacción primaria 74 y a otro espacio de colector 78. Cuando una parte del producto se consume como fuel, un gas que contiene oxígeno y opcionalmente suministro adicional o fuel de combustión puede entrar en el espacio del colector 78 a través de una boquilla 80. El espacio del colector 78 mezcla cualquier fluido que entra por la boquilla 80 con el efluente de la zona de reacción primaria y distribuye la mezcla como suministro a los canales de reacción secundaria 72. Los canales de reacción secundaria 72 contienen preferiblemente un catalizador promotor de la combustión a lo largo de toda su longitud que promueve la reacción secundaria exotérmica. Cuando la mezcla pasa hacia abajo a través de los canales de reformado secundario 72, calienta los canales 74 que contienen los reactivos primarios así como los canales de precalentamiento de suministro 70.
La Figura 10 muestra un espacio de distribución adicional 82 y un espacio de recogida 84 que forma una parte del reactor 69. Las separaciones (no mostradas pero similares a las separaciones 29 mostradas en la Figura 3) separan el espacio de distribución 82 y el espacio de recogida 84 del espacio 78 y 76. El suministro entra en el reactor 69 por una boquilla 84. El espacio de distribución 82 distribuye la zona de reformado primario a canales de precalentamiento 70 a través de entradas abiertas 86. Las placas de cierre 88 bloquean las partes superiores de los canales de reacción primaria 74 y los canales de reacción secundaria 72 donde los canales son contiguos al espacio de distribución 82. Una vez distribuido a los canales de suministro, el suministro de reacción primaria continúa fluyendo a través del reactor 69 como se ha descrito junto con la Figura 9. El efluente de reacción secundaria abandona el reactor 69 a través de un espacio de recogida 84 que se comunica a través de los fondos abiertos 90 de los canales de reacción secundaria 72. Las salidas 90 contienen un material de pantalla apropiado para retener catalizador en los canales de reacción secundaria mientras que permite que el fluido salga de los canales. Los fondos de los canales de reacción primaria 74 se cierran por placas de cierre 92 cada vez que pasan a través del espacio de recogida 84. Una boquilla de reacción secundaria 94 extrae el efluente de reacción secundaria recogido. Cualquier derivación del suministro entre las zonas de reacción primaria y secundaria se puede realizar por tuberías externas que se comunican con uno cualquiera del espacio de distribución 82, espacio de recogida 84 y espacio de colector 76.
El precalentamiento adicional así como el aislamiento de las zonas de reacción exotérmicas del alineamiento directo con las zonas de reacción endotérmicas se consigue fácilmente variando la localización de la carga de catalizador entre los canales. El espacio en un extremo de un canal también se puede usar como zona de precalentamiento de suministro para la zona de reacción secundaria o como una zona de enfriamiento de efluente. Las Figuras 9 y 10 ilustran esquemáticamente una carga parcial de catalizador en los canales por una línea de nivel de catalizador 96. Los canales de reacción primaria 74 pueden contener catalizador de debajo de la línea 96 a las entradas de los canales 74. En tal disposición, un suministro fluye hacia abajo a través de los canales de precalentamiento de suministro 70, la zona de reacción secundaria calienta inicialmente el suministro indirectamente con la sección de reacción de los canales de reacción secundaria 72. El suministro de reacción primaria, después del intercambio de calor, entra en los canales de reacción primaria para la reacción en los mismos. El calor de la reacción en el canal de reacción secundaria 72 calienta la zona de reacción primaria en una parte inferior del canal 74 cuando el suministro pasa hacia arriba a través del mismo. El efluente de la zona de reacción primaria continúa recibiendo calor de la parte superior de los canales 72 hasta que abandona los canales 74 y entra en la parte superior de los canales de la zona de reacción secundaria 72 para ponerse en contacto con el catalizador contenido en los mismos.
Una diversidad de combinaciones adicionales de funciones de canal se puede combinar en disposiciones de paso único o de paso múltiple. El uso de un reactor de intercambio de calor de placa que facilita la disposición de los canales de calentamiento ofrece muchas variaciones en la funcionalidad deseada para disposiciones de pila única o múltiple.
Por ejemplo, las secciones superior e inferior de los canales 74, mostradas como separadas de forma teórica por la línea de carga de catalizador 96, se puede separar fácilmente físicamente en dos zonas de reacción separadas. Los colectores de recogida y distribución similares a los mostrados en las Figuras 3-6 y 9 y 10 se pueden usar para comunicar internamente chorros de fluido entre las secciones de canales separados. Más útilmente, las disposiciones de colectores se pueden usar para comunicar externamente canales de reacción contenidos en un único recipiente de reacción. La comunicación externa facilitará el control de chorros de gas en las diferentes zonas de reacción y zonas de intercambio de calor. El control externo permitirá que una amplia diversidad de tramos de flujo se proporcione entre las diferentes disposiciones de canal.
A modo de ilustración adicional, las Figuras 11 y 12 son gráficos que muestran una codificación para disposiciones posibles de funciones de canal por una pluralidad de canales definidos por elementos de placa. Los códigos FP, SR y PR se han explicado previamente. Los códigos adicionales usados en los gráficos 10 y 11 incluyen "EC" que indican enfriamiento de efluente y "HP" que se refiere a una zona que contiene el chorro de gas caliente de los canales de reacción secundaria que calienta los canales de reacción de reformado primario. El "HF" indica una zona en la que el suministro a la zona de reacción primaria se calienta adicionalmente por transferencia de calor indirecta contra una parte de los canales de reacción secundaria.
La Figura 11 ilustra tres casos de configuraciones para interconectar canales paralelos en un patrón repetitivo de funciones. El caso 1 de la Figura 10 representa la disposición de canales representada en las Figuras 8-9 en la que el canal de reacción secundaria separa los canales de precalentamiento de suministro y de reacción primaria de forma que hay un canal de reacción primaria por cada seis canales en total. El caso 2 representa una disposición que enfría el efluente de los canales de reacción secundaria contra el suministro entrante y proporciona un canal de reacción primaria por cada 3 canales en total. El caso 3 es otra disposición de canal que proporciona un canal de reacción primaria y dos canales de reacción secundaria por cada 6 canales.
La Figura 12 representa disposiciones adicionales en las que múltiples pilas de reacción proporcionan bancos duales de canales que se pueden interconectar externamente o internamente de una manera que proporcione una plétora de diferentes funciones de canal. Todas las configuraciones en el gráfico de la Figura 12 son representaciones simplificadas de disposiciones de intercambio de calor de dos pasos superior e inferior con diferentes funciones descritas por los códigos que se han descrito anteriormente y un código adicional "HP" que representa un canal usado para calentar indirectamente la zona de reacción primaria.
El caso 1 de la Figura 12 muestra una sección de intercambiador de dos pasos. En el banco de canal inferior, el suministro de reacción primaria se somete a intercambio de calor indirecto con las placas que contienen la reacción de reformado secundaria en sus lados opuestos. Los bancos de canal superiores hacen reaccionar el suministro precalentado en los canales opuestos a la zona de reacción primaria que contienen el efluente caliente de la zona de reacción secundaria y que calientan la zona de reacción primaria. Colectores conectados externamente transfieren el efluente de la zona de reacción primaria a la zona de reacción de reformado secundario.
El caso 2 de la Figura 12 ilustra de forma representativa otra disposición de canales de dos pilas. La sección de canal superior enfría el chorro de producto de la zona de reacción secundaria por intercambio de calor indirecto opuesto al chorro de suministro entrante. Funcionalmente, la sección superior sirve esencialmente para el mismo propósito que el intercambiador 13 de la Figura 3. La sección de canal inferior proporciona el calentamiento indirecto de la zona de reacción secundaria directamente por la zona de reacción primaria.
El caso 3 de la Figura 12 es otra variación más de un esquema de flujo que usa colectores entre dos bancos de canales de calentamiento para establecer una disposición de intercambio de calor similar a la mostrada en el caso 1 de la Figura 12. El caso 3 difiere del caso 1 porque se dirigen fluidos de manera contracorriente, al contrario que la dirección del flujo de fluido paralelo del caso 1.
Finalmente, el caso 4 muestra una disposición en la que dos bancos separados de canales de calentamiento se usan junto con una zona de reacción secundaria. La zona de reacción secundaria puede estar integrada en los canales o se puede localizar externamente a los bancos de canal. La zona de reacción secundaria también puede servir como colector de conexión para comunicar canales. En esta disposición, el suministro entra en la zona de precalentamiento de suministro y se somete a intercambio de calor indirecto contra el efluente de la zona de reacción secundaria. Después, el suministro pasa desde la zona de precalentamiento a la zona de reacción primaria. Los gases calientes de la reacción secundaria calientan la zona de reacción primaria por intercambio de calor indirecto. El efluente de la zona de reacción primaria entra en la zona de reacción secundaria que se puede disponer como canales o como un lecho fijo de catalizador de reacción secundaria. El efluente de la zona de reacción secundaria suministra gases calientes para calentar la zona de reacción primaria que después se somete a enfriamiento indirecto adicional con el suministro de reacción primaria entrante.
Se puede obtener una potenciación adicional del control de la temperatura usando inyección intermedia del fluido de oxidación o fuel adicional. El funcionamiento con un flujo a contracorriente o paralelo de los reactivos primarios deja los lados de los canales disponibles para inyección de flujo cruzado de fluido de oxidación intermedio o suministro. Un patrón de flujo cruzado proporciona un control adicional de la generación de calor en localizaciones específicas permitiendo de este modo el ajuste del perfil de temperatura en la zona de reacción secundaria. Cuando la zona de reacción secundaria intercambia calor directamente contra la zona de reacción primaria, la inyección intermedia también se puede usar para influir sobre el perfil de temperatura en la zona de reacción primaria.
Ejemplo
El efecto de usar el proceso y las disposiciones de canal de esta invención para mantener condiciones isotérmicas se investigó en un proceso de conversión de hidrocarburos para la deshidrogenación de parafinas. Una simulación basada en la capacidad de esta invención para mantener condiciones isotérmicas se preparó basándose en un chorro de suministro que tiene una composición indicada en la Tabla 1. Las condiciones isotérmicas que se dieron como resultado de esta invención se simularon en un proceso de deshidrogenación usando una configuración de canal como se ilustra esquemáticamente en la Figura 2, en la que metano se consumió independientemente para proporcionar la entrada de calor al proceso.
En esta simulación de proceso, un chorro de suministro llevado por la tubería 10 y que tiene la composición dada en la Tabla 1 pasa al interior de un intercambiador de calor 12 que aumenta la temperatura del chorro de suministro desde aproximadamente 370°C a 390°C. Al mismo tiempo, el efluente de la zona de deshidrogenación que tiene la composición relativa dada para el chorro 14 se extrae del intercambiador 12 por la tubería 24.
La tubería 18' lleva el chorro de suministro calentado parcialmente hasta la zona de precalentamiento 40 que recibe calor de la zona de calentamiento 28'. El intercambio de calor indirecto por una serie de placas de transferencia de calor aumenta la temperatura del suministro hasta aproximadamente 480°C cuando abandona la zona de precalentamiento 40. La simulación del proceso de partes de zona de reacción de precalentamiento y catalítica se basa en el uso de un paquete de intercambio de calor de placa que tiene 250 capas de catalizador, una longitud de zona de precalentamiento de aproximadamente 1,1 m y una longitud de zona catalítica de aproximadamente 0,37 m. Las placas definen los canales de reacción que se alternan entre los canales de calentamiento y que tienen un grosor de aproximadamente 1,2 mm, ondulaciones con una profundidad de aproximadamente 10 mm y una anchura de aproximadamente 5500 mm. Las placas se colocan a continuación próximas entre sí en un patrón alterno de ondulaciones, de forma que los picos de las ondulaciones están en contacto. Los canales de reacción y los canales de intercambio de calor funcionan a una presión media de aproximadamente 137,86 kPa (20 psig).
El chorro de suministro calentado se somete a deshidrogenación para producir el chorro de producto que tiene la composición que se ha descrito previamente para la tubería 14. El calentamiento indirecto continuo de la zona de calentamiento 28' mantiene la temperatura del chorro de producto de la zona catalítica 42 a una temperatura de salida de 474ºC. La sección de reacción catalítica contiene un catalizador de deshidrogenación típico que comprende platino sobre un soporte de alúmina.
La tubería 30 suministra una mezcla de metano, oxígeno y óxidos de carbono a la zona de calentamiento 28' para suministrar la entrada de calor indirecto para la zona de precalentamiento y la zona catalítica. Aproximadamente 74.000 kg moles/h de la mezcla de calentamiento en circulación se purgan de la tubería de salida 32 por la tubería 38 mientras que el resto de la mezcla de calentamiento junto con 7.000 kg moles/h de metano y un chorro de aire, que suministra 14.000 kg moles/h de oxígeno, vuelven a la tubería de entrada 30.
TABLA
1

Claims (16)

1. Un proceso para poner en contacto reactivos con un catalizador en una zona de reacción (40) y calentar indirectamente los reactivos por el contacto con un medio de calentamiento, comprendiendo el proceso:
a)
pasar un chorro de reactivo a través de una pluralidad de canales de reacción estrechos (29) definidos por espacios entre placas principales (44) y calentar el chorro de reactivo en la ausencia de catalizador en una primera parte (29'') de los canales de reacción estrechos;
b)
pasar un medio de calentamiento a través de una pluralidad de canales de calentamiento estrechos (49) definidos por las placas principales (44) y calentar indirectamente el chorro de reactivo en la primera parte de los canales de reacción a través de las placas con el medio de calentamiento en una parte de precalentamiento de los canales de calentamiento para proporcionar un chorro de reactivo calentado en los canales de reacción;
c)
pasar el chorro de reactivo calentado a través de una segunda parte (29') de los canales de reacción (29) y poner en contacto el chorro de reactivo calentado con un catalizador en la segunda parte de los canales de reacción para producir un chorro que ha reaccionado, y
d)
calentar indirectamente la segunda parte de los canales de reacción con medio de calentamiento cuando pasa a través de una parte de calentamiento primaria de los canales de calentamiento (49); y
e)
pasar una parte del chorro que ha reaccionado a los canales de calentamiento estrechos (49).
2. El proceso de la reivindicación 1 en el que los canales de calentamiento contienen un catalizador de oxidación.
3. El proceso de la reivindicación 1 en el que las placas principales definen canales de reacción y canales de calentamiento alternos.
4. El proceso de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 en el que el medio de calentamiento comprende metano y oxígeno y la combustión del metano proporciona al menos una parte del calor para los canales de reacción.
5. El proceso de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 en los que la primera y la segunda parte de los canales de reacción y las partes de precalentamiento y calentamiento de los canales de calentamiento son continuas.
6. El proceso de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 en el que las placas definen una ondulación y las ondulaciones mantienen el espaciado de las placas.
7. El proceso de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 en el que el catalizador en los canales de reacción comprende un material en partículas retenido en los canales.
8. El proceso de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 en el que los canales de reacción tienen una anchura media de menos de 2,54 cm (1 pulgada).
9. El proceso de las reivindicaciones 1, 2 ó 3 en el que el calentamiento de los reactivos es por el contacto con gases de combustión formados en una zona de producción de calor.
10. El proceso de la reivindicación 9 en el que un catalizador de combustión comprende un material en partículas se retiene en los canales de calentamiento.
11. Un aparato para poner en contacto reactivos con un catalizador en una zona de reacción mientras que se calientan indirectamente los reactivos por el contacto con gases de combustión formados en una zona de producción de calor, comprendiendo el aparato:
una pluralidad de canales de reacción (29) y canales de calentamiento (49) alternos definidos por una pluralidad de placas primarias (44) para tener una entrada para reactivo en un extremo de los canales de reacción, una salida para reactivo en un extremo opuesto de los canales de reacción, una entrada para fluido de calentamiento en un extremo de los canales de calentamiento y una salida para fluido de calentamiento en el extremo opuesto de los canales de calentamiento;
medios para excluir un catalizador sólido de una parte de precalentamiento de los canales de reacción localizada aguas abajo de la entrada para reactivo y retener un catalizador sólido en una parte catalítica de los canales de reacción localizado aguas abajo de la parte de precalentamiento,
medios para suministrar un chorro de reactivo a la entrada de reactivo y para extraer un chorro que ha reaccionado de la salida de reactivo; medios para suministrar un fluido de calentamiento a la entrada para fluido de calentamiento y para extraer un fluido de calentamiento por la salida para fluido de calentamiento; y
medios para suministrar una parte del chorro que ha reaccionado a la entrada para fluido de calentamiento.
12. El aparato de la reivindicación 11 en el que los canales de calentamiento definen una zona de combustión y los canales de calentamiento retienen un catalizador promotor de la combustión.
13. El aparato de la reivindicación 12 en el que el catalizador promotor de la combustión comprende un catalizador de oxidación y un conducto de oxígeno suministra oxígeno a los canales de calentamiento.
14. El proceso de la reivindicación 1 en el que los canales de calentamiento estrechos (49) contienen un material catalizador para la promoción de una reacción exotérmica y el catalizador en la segunda parte (29') de los canales de reacción (29) es para la promoción de una reacción endotérmica.
15. El proceso de la reivindicación 1, comprendiendo adicionalmente:
recoger el chorro que ha reaccionado en un volumen de colector (78) que tiene comunicación directa con salidas definidas por las placas que definen la segunda parte (74) de los canales de reacción;
inyectar un fluido intermedio directamente en el volumen de colector (78) y mezclarlo con al menos una parte del chorro que ha reaccionado para producir un chorro mezclado.
16. El proceso de la reivindicación 15, comprendiendo adicionalmente pasar el chorro mezclado del volumen de colector (78) directamente a entradas de dicha pluralidad de canales de calentamiento estrechos (72) definidos por placas que tienen comunicación directa con el volumen de colector (78).
ES00973901T 2000-10-27 2000-10-27 Proceso y aparato que usa una disposicion de placa para precalentamiento y calentamiento de un reactivo. Expired - Lifetime ES2293928T3 (es)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2000/029542 WO2002034383A1 (en) 2000-10-27 2000-10-27 Process and apparatus using plate arrangement for reactant heating and preheating

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2293928T3 true ES2293928T3 (es) 2008-04-01

Family

ID=21741928

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES00973901T Expired - Lifetime ES2293928T3 (es) 2000-10-27 2000-10-27 Proceso y aparato que usa una disposicion de placa para precalentamiento y calentamiento de un reactivo.

Country Status (12)

Country Link
EP (1) EP1333917B1 (es)
KR (1) KR100693261B1 (es)
CN (1) CN1217732C (es)
AT (1) ATE374074T1 (es)
AU (2) AU2001212349B2 (es)
CA (1) CA2426347C (es)
DE (1) DE60036569T2 (es)
EA (1) EA005001B1 (es)
ES (1) ES2293928T3 (es)
NO (1) NO328140B1 (es)
PT (1) PT1333917E (es)
WO (1) WO2002034383A1 (es)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100542217B1 (ko) 2004-06-07 2006-01-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR100551053B1 (ko) 2004-06-29 2006-02-09 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
DE602004019076D1 (de) 2004-08-05 2009-03-05 Saudi Basic Ind Corp Verfahren mit einem mit Katalysator beschichteten Wärmetauscher
JP4809113B2 (ja) * 2006-04-24 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器
JP4809117B2 (ja) * 2006-04-28 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器及び改質装置
US20090064579A1 (en) * 2006-04-24 2009-03-12 Tokyota Jidosha Kabushiki Kaisha Heat exchange reformer unit and reformer system
GR1006128B (el) * 2007-05-25 2008-11-03 . Υψηλα θερμικα ολοκληρωμενος αναμορφωτης για παραγωγη υδρογονου
US8394154B2 (en) * 2007-12-28 2013-03-12 Texaco Inc. Counter-current oxidation and steam methane reforming process and reactor therefor
EP2233209B1 (de) * 2009-03-24 2014-11-05 Basf Se Formkörper
WO2012071614A1 (en) * 2010-12-01 2012-06-07 The University Of Sydney Apparatus for use in production of nitric acid
RU2462502C1 (ru) * 2011-04-06 2012-09-27 Ольга Васильевна Малова Способ осуществления каталитической эндотермической реакции
CN115282881A (zh) * 2017-11-25 2022-11-04 星火能源公司 具有集成的热交换器的化学反应器
CN108745223A (zh) * 2018-06-20 2018-11-06 华北电力大学 一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统
CN108686612A (zh) * 2018-08-02 2018-10-23 汤铁 管式逆流换热反应器
AU2021252436A1 (en) * 2020-04-09 2022-11-03 Woodside Energy Technologies Pty Ltd Renewable energy hydrocarbon processing method and plant

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01168332A (ja) * 1987-12-25 1989-07-03 Hitachi Ltd 燃料改質装置
JPH0812303A (ja) * 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
JP3555704B2 (ja) * 1995-03-13 2004-08-18 石川島播磨重工業株式会社 予熱機能付きプレート型改質器
JPH0930801A (ja) * 1995-07-19 1997-02-04 Mitsubishi Electric Corp 改質反応器
DE19725378A1 (de) * 1997-06-16 1998-12-17 Gerhard Friedrich Kompakter Festbettreaktor für katalytische Reaktionen mit integriertem Wärmeaustausch

Also Published As

Publication number Publication date
EP1333917B1 (en) 2007-09-26
NO20031861D0 (no) 2003-04-25
EA005001B1 (ru) 2004-10-28
CA2426347C (en) 2009-01-06
EA200300515A1 (ru) 2003-10-30
ATE374074T1 (de) 2007-10-15
EP1333917A1 (en) 2003-08-13
CA2426347A1 (en) 2002-05-02
AU1234901A (en) 2002-05-06
CN1474717A (zh) 2004-02-11
DE60036569T2 (de) 2008-06-19
KR20030048080A (ko) 2003-06-18
AU2001212349B2 (en) 2007-01-04
KR100693261B1 (ko) 2007-03-13
NO20031861L (no) 2003-06-10
WO2002034383A1 (en) 2002-05-02
CN1217732C (zh) 2005-09-07
PT1333917E (pt) 2007-11-29
NO328140B1 (no) 2009-12-14
DE60036569D1 (de) 2007-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2293928T3 (es) Proceso y aparato que usa una disposicion de placa para precalentamiento y calentamiento de un reactivo.
US6180846B1 (en) Process and apparatus using plate arrangement for combustive reactant heating
US6159358A (en) Process and apparatus using plate arrangement for reactant heating and preheating
JPS6158801A (ja) 炭化水素を改質する方法及び反応器
US7235218B2 (en) Catalytic reactors
ES2527698T3 (es) Aparato y método de reformado
US20010018140A1 (en) Catalytic burner element inside a fuel cell with structured catalytic coated surfaces
NL2006245C2 (en) MEMBRANE REACTOR AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF A GASEOUS PRODUCT WITH SUCH REACTOR.
KR100445183B1 (ko) 플레이트형 수증기 개질장치
OA12158A (en) Catalytic reactor.
WO2003033985A1 (en) Method and equipement for feeding two gases into and out of a multi-channel monolithic structure
JP4842805B2 (ja) マルチチャネルモノリシック構造のチャネルに出入りするよう２つの流体を分配する方法及び装置、並びにそれらの使用
US7297169B2 (en) Apparatus and method for hydrocarbon reforming process
NO20023422L (no) Reformeringsveksler med lavt trykkfall
EA005643B1 (ru) Аппарат для проведения реакций для ввода реагентов в контакт с катализатором при непрямом нагревании реагентов в реакционной зоне под действием непрямого теплообмена с теплоносителем (варианты)
ITSA20080023A1 (it) Reattore catalitico autotermico con profilo di temperatura piatto per la produzione di idrogeno da idrocarburi leggeri
EP1886372B1 (en) Fuel processing system
KR100599382B1 (ko) 균일가열을 위한 미세유로 가열기
JPH01183401A (ja) 燃料改質装置
US20020106596A1 (en) Catalytic burner element inside a fuel cell with structured catalytic coated surfaces
JP2008544846A (ja) ２つ以上の流体を混合及び反応させると共に当該流体間で熱を移動させる反応器、及び当該反応器を操作する方法
JP2550716B2 (ja) 燃料改質器
JP2002029705A (ja) 改質装置
KR101841188B1 (ko) 촉매 반응 효율이 우수한 고분자전해질막 연료전지용 연료변환기