ES2294111T3 - Conjunto reactor y refrigerador para reacciones exotermicas. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto reactor (1) y termocambiador (7) refrigerador el cual está compuesto de un reactor tubular que tiene un cabezal (5) de admisión, superior y un cabezal (6) de salida, inferior, unos tubos (2) de reacción que están rellenos de un catalizador comprendido dentro de dicho reactor y soportado por un revestimiento (3) de tubo, extremo, de admisión y por un revestimiento (4) de tubo, extremo, de salida; de un termocambiador tubular que tiene un extremo superior y un extremo inferior y que comprende unos revestimientos de tubo, extremos, superiores e inferiores que soportan unos tubos comprendidos dentro de dicho termocambiador, estando el extremo superior de dicho termocambiador fijado integralmente alrededor de una abertura del cabezal de salida, inferior, del reactor, conformando así una estructura integral con el reactor, estando dicha abertura del cabezal de salida, inferior, del reactor, conformada para permitir el paso de los gases de reacción desde el reactor hasta dicho termocambiador (7) y a través de los tubos situados en dicho termocambiador (7), de manera que se enfríen dichos gases de reacción a través de un intercambio térmico indirecto con un fluido de intercambio térmico introducido dentro de dicho termocambiador (7).
Description
Conjunto reactor y refrigerador para reacciones
exotérmicas.
La presente invención se refiere a un conjunto
reactor y refrigerador el cual es útil para conducir reacciones
exotérmicas, tales como, la reacción del oxígeno molecular y etileno
para formar el óxido de etileno.
La oxidación del etileno para formar óxido de
etileno se realiza convencionalmente en un reactor de carcasa y
tubo. Se coloca un catalizador sólido apropiado compuesto de plata
en unos tubos alargados y los gases de reacción circulan en las
mismas condiciones de reacción hasta entrar en contacto con el
catalizador. Se proporciona un fluido circulatorio en el lado de la
carcasa para eliminar el calor generado por la reacción
exotérmica.
Es muy importante que las mezclas de los gases
de reacción se enfríen rápidamente después de completar la reacción
deseada, a fin de minimizar la posibilidad de una oxidación completa
así como unas reacciones laterales no deseadas, tales como, la
formación de formaldehido y/o acetaldehido; la formación de dichos
productos ocasiona unos problemas de purificación debido a que son
muy difíciles de separar del producto de óxido de etileno.
La técnica anterior ha reconocido este problema
y, entre las soluciones propuestas, se encuentra el uso de la
última sección de los tubos del reactor para llevar a cabo la
refrigeración de los gases del reactor. La patente U.S. nº
4.061.659, ha sugerido que se proporcione una zona de refrigeración
adyacente a la zona de reacción, estando la zona de refrigeración
rellena de unas partículas refractarias inertes que tienen un área
de superficie de 0,1 m^{2}/g, o menos.
La patente Británica nº 1.440.091, proporciona
un reactor tubular el cual está dividido en tres zonas distintas.
Los gases de reacción pasan a través de los tubos los cuales en una
primera sección están rellenos de unos gases inertes para
proporcionar una zona de precalentamiento, en una segunda sección
los tubos están rellenos de un catalizador para proporcionar una
zona de reacción y estos mismos tubos, en una tercera sección están
rellenos o no, de un gas inerte para proporcionar una zona de
refrigeración.
La patente U.S. nº 4.921.681, proporciona un
reactor tubular que forma una zona de precalentamiento, de reacción
y de refrigeración.
Más recientemente, la patente U.S. nº 5.292.904
describe igualmente un reactor tubular con los tubos divididos en
una zona de precalentamiento, una zona de reacción y una zona final
de refrigeración, rellena.
De acuerdo con la presente invención está
provisto un conjunto reactor y refrigerador perfeccionado, que es
menos caro de fabricar y de operar y el cual proporciona un
enfriamiento rápido de los gases de reacción. Está provisto un
reactor tubular de tipo convencional conjuntamente con un
termocambiador, el cual es integral con el cabezal de descarga del
reactor tubular y está adaptado para refrigerar los gases de
reacción.
El dibujo adjunto constituye una representación
esquemática del conjunto reactor y refrigerador de la invención.
Haciendo referencia al dibujo, el reactor 1 es
un reactor de carcasa y tubo del tipo que se emplea
convencionalmente para la producción de óxido de etileno. Una
multiplicidad de tubos 2 alargados están provistos en el reactor,
estando los extremos de admisión (entrada) fijados al revestimiento
3 de los tubos y los extremos de descarga (salida) al revestimiento
4 de los tubos, estando el cabezal 5 de admisión del reactor
provisto igual que el cabezal 6 de salida del reactor.
El documento FR nº 1.349.843, se refiere a
un aparato para la conducción de reacciones y, por lo tanto,
para refrigerar los productos de las reacciones, dicho aparato
incluye un reactor y un termocambiador adosado al mismo.
El documento FR nº 1.349.843, revela un reactor y un
termocambiador, separados, los cuales están conectados, de manera
que puedan soltarse, a través de un anillo 21 del
termocambiador, el cual está conectado por medio de un anillo 22
(argolla) situado sobre la tapa 12 del reactor. Esta conexión no
constituye una estructura integral.
Adicionalmente, el termocambiador del documento
FR nº 1.349.843, está adosado a un punto medio del reactor. El
extremo superior del termocambiador no está adosado al extremo
inferior del reactor.
El documento FR nº 1.349.843 requiere además una
partición anular 19, la cual separa físicamente los tubos del
reactor de los tubos del termocambiador, conformando una partición
interna; no está fijada integralmente alrededor de una abertura del
reactor.
El documento U.S. nº 4.778.882 se refiere a un
aparato y reacción de deshidratación química. Este aparato incluye
un sistema de componentes interconectados para la retirada de agua
de un sistema de reacción. No obstante, el documento U.S. nº
4.778.882 no se refiere, de ninguna manera, a la oxidación de
etileno en óxido de etileno, tampoco es análoga a la función del
mismo.
El termocambiador 7 de carcasa y tubo está
fijado de manera integral con el cabezal 6 de salida del reactor,
una abertura está provista en el cabezal 6 de salida para
intercomunicarse con el termocambiador 7, estando el termocambiador
7 convenientemente soldado al cabezal 6 de salida alrededor de la
abertura, conformando así una estructura integral con el reactor.
El termocambiador 7 está provisto de unos tubos 8, los cuales están
fijados a los revestimientos 9 y 10 de los tubos, según se ha
descrito. Está provisto también un cabezal 11 de salida del
termocambiador.
En la práctica, los gases de reacción, por
ejemplo, etileno, oxígeno y los gases de lastre se introducen dentro
del reactor 1 a través de la línea 12 y pasan en las condiciones de
reacción a través de los tubos 2 del reactor, los cuales están
rellenos de un catalizador de plata apropiado. El calor de la
reacción se elimina por medio de un fluido circulante de
transferencia de calor, tal como el agua, el cual se introduce a
través de la línea 13 por el lado de la carcasa del reactor 1 y
sale a través de la línea 14.
Los gases de reacción pasan a través de los
tubos 2 en donde se realiza la producción de óxido de etileno y una
vez que hayan salido de los tubos 2, los gases pasan al cabezal 6 de
salida y después a los tubos 8 del termocambiador 7 y son
refrigerados inmediatamente para evitar una oxidación e
isomerización posteriores. Se introduce un fluido de refrigeración
por el lado de la carcasa del enfriador 7, a través de la línea 15
y se retira a través de la línea 16. El agua es un fluido de
refrigeración apropiado y preferente. Los gases de reacción
enfriados salen del enfriador 7 a través de la línea 17 y son
tratados de una manera convencional para la recuperación de
productos y el reciclaje de varios componentes.
Una de las ventajas del conjunto reactor y
refrigerador de la invención es que el termocambiador 7 puede estar
diseñado expresamente de tal manera que tenga una máxima efectividad
para refrigerar los gases de reacción sin las restricciones
impuestas por las propuestas anteriores en donde se usan los tubos
del reactor para la función de refrigeración. Las medidas del
caudal, las temperaturas y similares, se regulan separadamente para
el termocambiador 7, independientemente de la eliminación del calor
del reactor 1.
Los tubos 8 del termocambiador pueden estar
rellenos de un material sólido inerte, no obstante, no están
rellenos, preferentemente, de unos materiales sólidos.
La fijación del termocambiador directamente al
cabezal del reactor permite un diseño eficaz del refrigerador y una
excelente integridad estructural, asegurando una refrigeración
inmediata de los gases de reacción debido a la proximidad del
termocambiador al reactor.
La refrigeración en los tubos 8 es independiente
de las condiciones de funcionamiento del reactor 1, ya que el
fluido de transferencia de calor en el termocambiador 7 no está
limitado a las mismas condiciones del reactor 1, como sería el
caso, cuando esté provista una zona de refrigeración como una
extensión de los tubos 2 del reactor 1. Por lo tanto, se pueden
mantener las condiciones óptimas en el termocambiador 7 a través de
todo el ciclo de vida del catalizador a medida que cambien las
condiciones en el reactor 1.
Además, construyendo el termocambiador 7 como
una parte integral del reactor 1, se minimiza entonces el tiempo de
residencia necesario para salir del cabezal 6 del reactor, limitando
así el tiempo para la formación del subproducto en contraste con la
práctica convencional en la que se proporciona un conducto para
conducir los gases de reacción hasta un termocambiador externo
separado.
Generalmente, el conjunto reactor y refrigerador
termocambiador perfeccionado de la invención, es útil para las
reacciones exotérmicas, tales como las oxidaciones, las cuales se
realizan en los reactores tubulares en los que los reactivos están
en contacto con el catalizador contenido en los tubos del reactor,
en un reactor de carcasa y tubo. La oxidación de etileno en óxido
de etileno es un ejemplo importante.
Los reactores que comprenden una porción de un
conjunto de esta invención son del tipo empleado generalmente en la
tecnología de la reacción exotérmica, tal como la producción de
óxido de etileno. Convencionalmente, dichos reactores comprenden un
cabezal de admisión superior para la admisión de los gases de
reacción y un cabezal de salida para la salida del producto de la
reacción. Están provistos unos revestimientos de los tubos para
soportar la multiplicidad de tubos rellenos con el catalizador
apropiado, a través de los cuales los gases reactantes pasan, y en
los cuales se lleva a cabo la reacción deseada. En el caso de la
producción de óxido de etileno, los reactores que tienen un
diámetro tan grande como 4,5 m hasta 6,1 m son convencionales con
miles de tubos reactantes, ilustrativamente unos veinte mil o más,
que están soportados por los revestimientos de los tubos
reactantes. Las longitudes de los tubos pueden oscilar entre una
cota de 12,2 m, siendo ilustrativa una cota comprendida entre 6,1
hasta 12,2 m, siendo ilustrativo también el diámetro exterior de los
tubos desde 2,54 hasta 5,08 cm. El medio de transferencia de calor
está provisto para eliminar la reacción exotérmica caldeada. Se
pueden emplear varios fluidos incluyendo el agua, el dowtherm y
similares.
Es esencial para el conjunto de la invención la
provisión de un termocambiador integral con el cabezal de salida
del reactor tubular con una abertura conformada en la salida 6,
alrededor de la cual el termocambiador está fijado mediante
soldadura. En el dibujo está diseñado un termocambiador conectado
integralmente, como el termocambiador 7. Generalmente, el diámetro
del termocambiador puede oscilar entre una cota desde
aproximadamente 1,2 m hasta 2,4 m y contiene unos tubos que están
soportados por unos revestimientos de los tubos, superiores e
inferiores, el número de tubos oscila entre una cota comprendida
desde 800 hasta aproximadamente 3000 y el diámetro exterior desde
aproximadamente 2,54 cm hasta alrededor de 4,45 cm. Está provisto un
fluido de intercambio térmico para la refrigeración de los tubos
del termocambiador, a fin de reducir rápidamente la temperatura de
la mezcla de reacción hasta un punto por debajo del cual se
produciría la oxidación y/o la producción de varios subproductos.
Preferiblemente, el fluido de intercambio térmico es agua.
Los tubos del reactor están rellenos de unos
catalizadores con unos soportes de plata, convencionales. Se
describen unos catalizadores apropiados y unas condiciones para su
uso, por ejemplo, en las patentes U.S. nos. 5.504.052, 5.646.087,
5.691.269, 5.854.167 y similares.
La parte del reactor del conjunto está compuesta
de unos materiales los cuales son muy conocidos en esta técnica
particular. Preferiblemente, la parte del termocambiador está
fabricada a partir de acero al carbono o de acero doble y los tubos
contenidos dentro del mismo están preferiblemente abiertos y sin
rellenar, aunque si se desea se puede emplear un relleno de un
material inerte tal como la alúmina o similar.
Los reactores tubulares para su uso, por
ejemplo, en la producción de óxido de etileno y que son muy
conocidos en la técnica, dichos reactores, pueden comprender la
parte del reactor del conjunto presente.
En la figura adjunta se describe un ejemplo
específico de un conjunto de la presente invención, el cual está
adaptado para la oxidación de etileno para formar óxido de etileno.
El material de construcción para el reactor 1 y el refrigerador 7
es el acero al carbono. El reactor tiene un diámetro de 5,03 m y
contiene unos tubos soportados por los revestimientos 3 y 4 de los
tubos, teniendo los tubos del reactor 8809 una longitud de
aproximadamente 8,23 m y cada tubo tiene un diámetro exterior de
3,81 cm.
Un termocambiador 7 está soldado al cabezal 6 de
salida, inferior del reactor 1. El termocambiador tiene un diámetro
de aproximadamente 1,83 m y una longitud de aproximadamente 3,05 m y
está soldado a una abertura con un diámetro de 1,74 conformada en
el cabezal 6. Soportados en el termocambiador 7 por medio de los
revestimientos 9 y 10 de los tubos, están los tubos 1468, los
cuales están abiertos y no están rellenos de un material sólido.
Los tubos tienen un diámetro exterior de 3,18 cm.
El fluido de intercambio térmico, de
refrigeración, introducido a través de la línea 15 y retirado a
través de la línea 16, es agua.
En términos generales, los gases de reacción los
cuales salen del reactor 1 a través del cabezal 6 tienen una
temperatura que oscila entre 215ºC hasta 282ºC. De acuerdo con el
uso del conjunto de la presente invención, estos gases se enfrían
casi instantáneamente hasta alcanzar una temperatura situada por
debajo de la temperatura, en la cual se lleva a cabo una reacción
adicional en el termocambiador 7, es decir, a 215ºC, o inferior. Los
gases de reacción penetran en el termocambiador 7, esencialmente, a
la misma temperatura de reacción de salida del reactor 1 y salen
del termocambiador 7 por medio del cabezal 11 de salida a través de
la línea 17. De acuerdo con la práctica de la invención, la mezcla
de gases de reacción que sale a través de la línea 17 está tratada
de acuerdo con unos procedimientos conocidos para la separación y
recuperación del producto y el reciclado de los componentes de la
mezcla, tales como, etileno, oxígeno y el gas de lastre, sin
reaccionar.
Claims (20)
1. Un conjunto reactor (1) y termocambiador (7)
refrigerador el cual está compuesto de un reactor tubular que tiene
un cabezal (5) de admisión, superior y un cabezal (6) de salida,
inferior, unos tubos (2) de reacción que están rellenos de un
catalizador comprendido dentro de dicho reactor y soportado por un
revestimiento (3) de tubo, extremo, de admisión y por un
revestimiento (4) de tubo, extremo, de salida; de un termocambiador
tubular que tiene un extremo superior y un extremo inferior y que
comprende unos revestimientos de tubo, extremos, superiores e
inferiores que soportan unos tubos comprendidos dentro de dicho
termocambiador, estando el extremo superior de dicho termocambiador
fijado integralmente alrededor de una abertura del cabezal de
salida, inferior, del reactor, conformando así una estructura
integral con el reactor, estando dicha abertura del cabezal de
salida, inferior, del reactor, conformada para permitir el paso de
los gases de reacción desde el reactor hasta dicho termocambiador
(7) y a través de los tubos situados en dicho termocambiador (7), de
manera que se enfríen dichos gases de reacción a través de un
intercambio térmico indirecto con un fluido de intercambio térmico
introducido dentro de dicho termocambiador (7).
2. El conjunto de la reivindicación 1, en el que
está provisto un medio para refrigerar los tubos tanto en el reactor
como en el termocambiador, con agua.
3. El conjunto de la reivindicación 1, en el que
el reactor está relleno de un catalizador con un soporte de
plata.
4. El conjunto de la reivindicación 1, en el que
el termocambiador comprende una línea de introducción de fluido.
5. El conjunto de la reivindicación 1, en el que
el termocambiador comprende una línea de retirada de fluido.
6. El conjunto de la reivindicación 1, que
comprende, al menos, veinte mil tubos (2) de reacción, en el que los
tubos de reacción tienen una longitud desde 4,5 m hasta 12,2 m y un
diámetro exterior de 2,54 cm hasta 5,08 cm.
7. El conjunto de la reivindicación 1, en el que
el termocambiador está soldado alrededor de la abertura del cabezal
de salida, inferior, del reactor.
8. El conjunto de la reivindicación 1, en el que
el termocambiador tiene un diámetro que oscila entre aproximadamente
1,2 m hasta 2,4 m y contiene unos tubos cuyo número oscila entre 800
hasta aproximadamente 3000 y un diámetro exterior desde
aproximadamente 2,54 cm hasta aproximadamente 4,45 cm.
9. Un procedimiento para la oxidación de etileno
para formar óxido de etileno, el cual comprende:
- a)
- proporcionar un conjunto reactor y termocambiador, refrigerador, según se define en la reivindicación 1, provisto de un catalizador dentro de dicho reactor que se extiende desde el cabezal de admisión, superior hasta el cabezal de salida, inferior;
- b)
- introducir etileno y oxígeno dentro de unos tubos de reacción y hacer que el etileno y el oxígeno reaccionen dentro de los tubos de reacción para formar un gas de reacción que comprende óxido de etileno; y
- c)
- enfriar el gas de reacción.
10. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que se introduce además un gas de lastre dentro de los tubos de
reacción.
11. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que el catalizador comprende un soporte de plata.
12. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que se refrigeran los tubos de reacción.
13. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que los tubos de reacción se refrigeran con agua.
14. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que el fluido de intercambio térmico es agua.
15. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que los gases de reacción que pasan desde el reactor hasta el
termocambiador tienen una temperatura que oscila desde 215ºC hasta
282ºC.
16. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que los gases de reacción se refrigeran en el termocambiador a
una temperatura de 215ºC, o inferior.
17. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que la refrigeración del gas de reacción está dirigida por un
fluido de intercambio térmico introducido dentro de dicho
termocambiador por medio de una línea de introducción de fluido,
dicho fluido de intercambio térmico se retira, subsiguientemente,
por medio de una línea de retirada de fluido.
18. El procedimiento de la reivindicación 17, en
el que el fluido de intercambio térmico es agua.
19. El procedimiento de la reivindicación 9, que
comprende, al menos, veinte mil tubos de reacción, en el que los
tubos de reacción tienen una longitud que oscila desde 4,5 m hasta
12,2 m y un diámetro exterior desde 2,54 cm hasta 5,08 cm y en el
que el termocambiador tiene un diámetro que oscila entre
aproximadamente 1,2 m hasta 2,4 m y contiene unos tubos cuyo número
oscila entre 800 hasta aproximadamente 3000 y un diámetro exterior
comprendido entre aproximadamente 2,54 cm hasta aproximadamente 4,45
cm.
20. El procedimiento de la reivindicación 9, en
el que el termocambiador está soldado al reactor.
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