ES2335174B1 - Reactor de lecho fluido de dos zonas. - Google Patents
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Abstract
Reactor de lecho fluido de dos zonas.
Reactor (10, 20, 30, 40) de lecho fluido de dos
zonas (11, 12, 21, 22; 31, 32; 41, 42) en el que la zona superior
(11, 21, 31, 41) presenta distinta sección que la zona inferior (12,
22, 32, 42). En una de las dos zonas (11, 12, 21, 22; 31, 32; 41,
42) se obtiene una zona de atmósfera reductora y en la otra zona una
zona de atmósfera oxidante.
En una realización preferida, la sección de la
zona superior (11, 21, 31, 41) es mayor que la de la zona inferior
(12, 22, 32, 42), obteniéndose en la zona superior (11, 21, 31, 41)
una atmósfera reductora y en la zona inferior (12, 22, 32, 42) una
atmósfera oxidante.
Existen hileras de tubos distribuidores del
flujo en la zona superior (11, 21, 31, 41) para evitar la aparición
de zonas muertas.
Description
Reactor de lecho fluido de dos zonas.
El objeto de la presente solicitud se incluye
dentro del campo de los reactores empleados para efectuar
reacciones químicas en su interior, en particular en los reactores
de lecho fluido de dos zonas.
Dentro de los reactores empleados para efectuar
reacciones químicas en su interior, existen los denominados
reactores de lecho fijo y de lecho fluido, que se caracterizan por
la presencia de lo que se denomina un lecho de partículas. Un lecho
de partículas consiste en una capa de partículas sólidas de
sustancia(s) que interviene(n) en la reacción
considerada, bien como reactivo o bien como catalizador, que es
atravesada por los reactivos en fase fluida.
Cuando la velocidad de circulación de los
reactivos en fase fluida a través del lecho es baja, no se produce
desplazamiento sustancial de
\hbox{las partículas sólidas que componen el lecho. Se habla en este caso de reactores de lecho fijo.}
Un aumento de la velocidad de circulación de los
reactivos en fase fluida a través del lecho y en sentido ascendente
provoca a su vez una agitación de las partículas del lecho. A
partir de un valor crítico de velocidad, denominado velocidad
mínima de fluidización, se produce lo que se denomina fluidización
continua o lecho fluido, en la cual todas las partículas son
agitadas por el paso de la fase fluida a través del lecho, de forma
que el lecho deja de estar constituido por partículas estáticas y
el material que lo constituye adquiere propiedades y comportamiento
de fluido.
El fenómeno en que se basan los reactores de
lecho fluido es sobradamente conocido dentro del campo de la
técnica de los reactores químicos y ha sido descrito en multitud de
textos, entre los que se citan, a modo de ejemplo:
- Kunii, D. y Levenspiel, O.
"Fluidization Engineering" Elsevier, 2005.
- Santamaría, J., Herguido, J.,
Menéndez, M. y Monzón, A. "Ingeniería de
Reactores", Ed. Síntesis, 1999.
Un tipo particular de reactores de lecho fluido
es el denominado "de dos zonas", en el cual las sustancias que
toman parte en la reacción se introducen en el reactor en
posiciones diferentes del mismo, de manera que se producen las
condiciones para que sucedan reacciones de naturaleza distinta en la
parte superior y en la parte inferior del mencionado reactor.
Una aplicación usual de los reactores de lecho
fluido de dos zonas son algunas reacciones con regeneración del
catalizador, mediante las cuales la reacción que da lugar a los
productos deseados se produce en una de las zonas y la reacción de
regeneración del catalizador, de características opuestas, se
produce simultáneamente en una zona diferente del reactor.
En la publicación "Catalysis Today" nº 100
(2005), pgs. 181-189 de J. Herguido, J. Menéndez y
M. Santamaría, se muestra una revisión de algunos trabajos de los
inventores en los que se utilizan reactores de lecho fluido como
reactores de dos zonas, utilizando un lecho fluido en el que se
alimenta un agente oxidante en la zona inferior del lecho y un
hidrocarburo en un punto intermedio. De esta manera, se obtienen
dos zonas: en la inferior se obtiene una atmósfera oxidante y en la
superior se obtiene una atmósfera reductora. De esta manera se
posibilita realizar una reacción de oxidación del hidrocarburo en la
\hbox{zona superior y regenerar el catalizador con el agente oxidante en la zona inferior.}
Se han descrito en solicitudes de patentes algún
procedimiento de reactor con dos zonas de reacción en un solo
depósito. Por ejemplo en la solicitud de patente US02007/0213573 se
describe un reactor de dos zonas para reacciones
gas-sólido catalíticas de distinta sección donde el
propósito de estas dos zonas es cambiar el tiempo de residencia
entre ambas trabajando en la segunda sección en un lecho tipo
riser. La patente US 6,197,265 plantea también un lecho fluido de
dos zonas que son del mismo tamaño donde en cada zona se puede
alimentar distintos gases siendo la utilidad de estas
alimentaciones para la reacción del sólido que se alimenta por
optimización de la atmósfera de reacción. También en la solicitud
de patente EP1242344 (WO0144146) se muestra un reactor de dos zonas
para una reacción de deshidrogenación de un
alquil-aromático, en una zona ocurre la reacción y
en otra ocurre la regeneración del catalizador siendo las dos zonas
de igual sección. En la solicitud de patente US4152393 también se
presenta una sola cámara donde ocurre la reacción y la
regeneración, el catalizador va de una zona a otra pero los gases
de la zona de reacción no se mezclan con los de la oxidación. En
ninguno de estos casos descritos de patentes se plantea que en una
de las dos zonas ocurra la reacción y en otra ocurra la regeneración
del catalizador con zonas de distinta sección en el mismo
reactor.
La mayor parte de los casos de procesos de
operación -regeneración u oxidación- reducción no presentan
cinéticas de reacción con la misma velocidad en ambos sentidos. En
la publicación del "Journal of Catalysis" nº 185 (1997) pgs.
324-332 a cargo de López Nieto y otros, se puede
consultar la comprobación experimental de que la oxidación total de
un catalizador VMgO totalmente reducido es 3 veces más rápida que
la reducción total del mismo catalizador totalmente oxidado.
Además en muchos casos el caudal de gas
requerido en las dos zonas es muy diferente, por ejemplo, cuando se
introduce un gas oxidante para regenerar el catalizador en la zona
inferior, el caudal necesario es habitualmente muy inferior al
caudal de hidrocarburo a tratar.
Esta constatación experimental plantea la
necesidad técnica de equilibrar los tiempos de contacto de los
gases en el interior del reactor y además adecuar la velocidad del
gas en cada zona para mantenerla en el rango de valores adecuado
para la fluidización.
Además, es conocido que en reacciones en las
cuales existe un número importante de productos intermedios,
trabajar en unas determinadas condiciones de velocidad de
circulación a través del lecho para obtener mayor cantidad de
producto deseado puede traer como consecuencia negativa que la
reacción con el catalizador no se produzca de forma suficientemente
completa, por lo que se plantea el problema técnico adicional de
encontrar un diseño de reactor de lecho fluido de dos zonas que
evite o minimice el mencionado inconveniente.
El objeto de la presente invención resuelve los
inconvenientes anteriormente mencionados mediante el uso de un
reactor de lecho fluido de dos zonas, en el que se produce una
alimentación en la parte inferior del lecho y se produce otra
alimentación en una parte intermedia del mencionado lecho, en donde
una de las alimentaciones está constituida por reactivos y otra de
las alimentaciones está constituida por un agente oxidante de los
reactivos o un catalizador de una reacción de oxidación de los
reactivos, como consecuencia de lo cual se generan en el interior
del reactor de la invención dos zonas diferenciadas, una zona de
atmósfera reductora y otra zona de atmósfera oxidante. El reactor
de la invención destaca especialmente porque la zona de atmósfera
reductora y la zona de atmósfera oxidante presentan secciones de
valor diferente.
La existencia de dos zonas de dimensiones
diferentes en el reactor, en donde en una de las cuales se producen
reacciones de reducción y en otra de las cuales se producen
reacciones de oxidación, provoca que se puede disponer de un mayor
control de los caudales y las velocidades de circulación de los
distintos flujos de las alimentaciones, con lo cual se dispone de un
grado de libertad a la hora de determinar una velocidad de
circulación compatible con la regeneración completa del
catalizador.
El uso del reactor de la invención resulta
igualmente ventajoso para reacciones cuya velocidad aumenta con una
diferente dilución de los reactivos y, en las que por lo tanto es
conveniente disponer de diferentes caudales en cada una de las dos
zonas del reactor.
Otra de las características ventajosas del
reactor de la invención consiste en que resuelve un conocido
problema típico de los procedimientos con recuperación de
hidrógeno: La combinación de una membrana selectiva al hidrógeno
con un reactor de dos zonas permite conjugar en un solo dispositivo
dos ventajas complementarias. El reactor de membrana permite
aumentar la conversión de equilibrio de la reacción, tal como es
bien conocido para los expertos en el tema (cf. Inorganic
membranes: synthesis, characterization and applications, R. Mallada
y M. Menéndez (eds.) Elsevier, 2008), y en el caso de reacciones en
las que se produce hidrógeno, éste se puede retirar del medio de
reacción mediante membranas de Paladio o sus aleaciones, o mediante
membranas cerámicas densas, selectivas a hidrógeno, tal como se ha
descrito en reactores de lecho fijo. Sin embargo un inconveniente
habitual de los reactores de membrana en los que se retira
hidrógeno del medio de reacción es que aumenta la velocidad de
desactivación del catalizador, formándose materiales carbonosos,
conocidos como coque. Al combinar el reactor de membrana con el
reactor de lecho fluido de dos zonas descrito en esta invención, se
evita el problema de la desactivación del catalizador, ya que éste
se puede regenerar en continuo, manteniendo la ventaja del reactor
de membrana consistente en que se alcanza una mayor conversión que
en un reactor convencional de lecho fijo, puesto que al retirar el
hidrógeno, que es un producto de la reacción, la misma se desplaza
hacia el aumento de la formación de
productos.
productos.
Una utilidad ventajosa adicional del reactor de
dos zonas de la invención radica en su capacidad para llevar a
cabo, simultáneamente a las reacciones realizadas en él, la
filtración de gases calientes y la combustión de partículas o
compuestos poco volátiles presentes en el mismo, como son hollín o
alquitrán. Para la consecución de tal fin, se introduce el gas
caliente en la zona superior del lecho, con lo que el sólido
presente en el mismo actúa como filtro de partículas o compuestos
poco volátiles, y en la zona inferior se introduce una corriente de
un agente oxidante (que contenga por ejemplo oxígeno o vapor de
agua), de forma que se produce la combustión o la gasificación de
dichas partículas o compuestos poco volátiles.
En una realización preferida de la invención se
considera la introducción de pantallas o hileras de tubos
destinados a distribuir el flujo en la parte superior, con el fin
de evitar la aparición de zonas muertas.
En otra realización preferida de la invención,
el reactor está constituido por dos elementos de sección uniforme,
conectados mediante un elemento intermedio de sección variable. De
manera preferente pero no limitativa, los elementos de sección
uniforme son cilindros y el elemento de sección variable presenta
forma cónica. Sin embargo, se contempla asimismo la posibilidad de
que la sección del reactor varíe de forma continua desde el punto de
alimentación inferior hasta la zona superior, eliminándose de este
modo la necesidad del elemento intermedio.
En el diseño del reactor con dos zonas de
diferente sección deberá tenerse en cuenta el ángulo de la zona de
transición entre las zonas, de modo que un ángulo más abierto (más
próximo a 90º) puede generar la aparición de zonas muertas de
catalizador que disminuirían la eficacia del mismo, mientras que un
ángulo muy cerrado (próximo a 0º) haría que la zona de transición
fuera muy prolongada, disminuyendo las ventajas de este diseño.
Como se ha indicado anteriormente, el reactor de
la invención presenta una gran utilidad para llevar a cabo procesos
de oxidación catalizados en los que se produce la regeneración
simultánea del catalizador. A continuación, y a modo de ejemplo
ilustrativo, pero no limitativo, se enuncian algunas de las
reacciones cuya realización en el reactor de la invención presenta
notables ventajas respecto a su realización en otros reactores que
no poseen las características del reactor de la invención:
- -
- oxidación de butano, buteno o pentano a anhídrido maleico,
- -
- oxidación de propano a acroleína y/o ácido acrílico,
- -
- acoplamiento oxidativo de metano,
- -
- oxidación de benceno a fenol,
- -
- oxidación de alquilbencenos,
- -
- oxidación de etano ó etileno a ácido acético,
- -
- deshidrogenación oxidativa de hidrocarburos (etano, propano, butano, isobutano, etc.),
- -
- oxidación de metanol a formaldehído,
- -
- oxidación parcial o reformado de hidrocarburos o compuestos carbonosos (p.ej. metano, etano, metanol, etanol a gas de síntesis).
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquemática en
alzado de un reactor de lecho fluido de dos zonas en el que la zona
superior presenta una sección mayor que la zona inferior y en la
que la alimentación que se produce en la zona inferior del lecho
produce una atmósfera de carácter oxidante en la zona inferior del
reactor, mientras que la alimentación que se produce en una zona
intermedia del
\hbox{lecho produce una atmósfera de carácter reductor en la zona superior del reactor.}
Figura 2.- Muestra una vista esquemática en
alzado de un reactor de lecho fluido de dos zonas en el que la zona
superior presenta una sección mayor que la zona inferior y en la
que la alimentación que se produce en la zona inferior del lecho
produce una atmósfera de carácter reductor en la zona inferior del
reactor, mientras que la alimentación que se produce en una zona
intermedia del
\hbox{lecho produce una atmósfera de carácter oxidante en la zona superior del reactor.}
Figura 3.- Muestra una vista esquemática en
alzado de un reactor de lecho fluido de dos zonas en el que la zona
inferior presenta una sección mayor que la zona superior y en la
que la alimentación que se produce en la zona inferior del lecho
produce una atmósfera de carácter oxidante en la zona inferior del
reactor, mientras que la alimentación que se produce en una zona
intermedia
\hbox{del lecho produce una atmósfera de carácter reductor en la zona superior del reactor.}
Figura 4.- Muestra una vista esquemática en
alzado de un reactor de lecho fluido de dos zonas en el que la zona
inferior presenta una sección mayor que la zona superior y en la
que la alimentación que se produce en la zona inferior del lecho
produce una atmósfera de carácter reductor en la zona inferior del
reactor, mientras que la alimentación que se produce en una zona
intermedia
\hbox{del lecho produce una atmósfera de carácter oxidante en la zona superior del reactor.}
Se presentan cuatro realizaciones preferidas de
la invención:
Primera realización
preferida
Tal como se aprecia en la Figura 1, se presenta
un reactor (10) de lecho fluido de de dos zonas (11, 12) en el que
la zona superior (11) presenta una sección mayor que la zona
inferior (12). Se produce una primera alimentación (14) en la zona
inferior (12) del lecho (15), la cual produce una atmósfera de
carácter oxidante en dicha zona inferior (12) del lecho (15).
Además, se produce una segunda alimentación (16) en una parte
intermedia (13) del lecho (15), que produce una atmósfera de
carácter reductor en la zona superior (11) del lecho (15).
El reactor (10) puede incluir unas hileras de
tubos (no representados) destinados a distribuir el flujo en la
zona superior (11), con el fin de evitar la aparición de zonas
muertas.
Segunda realización
preferida
Tal como se aprecia en la Figura 2, se presenta
un reactor (20) de lecho fluido de de dos zonas (21, 22) en el que
la zona superior (21) presenta una sección mayor que la zona
inferior (22). Se produce una primera alimentación (24) en la zona
inferior (22) del lecho (25), la cual produce una atmósfera de
carácter reductor en dicha zona inferior (22) del lecho (25).
Además, se produce una segunda alimentación (26) en una parte
intermedia (23) del lecho (25), que produce una atmósfera de
carácter oxidante en la zona superior (21) del lecho (25).
El reactor (20) puede incluir unas hileras de
tubos (no representados) destinados a distribuir el flujo en la
zona superior (21), con el fin de evitar la aparición de zonas
muertas.
Tercera realización
preferida
Tal como se aprecia en la Figura 3, se presenta
un reactor (30) de lecho fluido de de dos zonas (31, 32) en el que
la zona superior (31) presenta una sección menor que la zona
inferior (32). Se produce una primera alimentación (34) en la zona
inferior (32) del lecho (35), la cual produce una atmósfera de
carácter oxidante en dicha zona inferior (32) del lecho (35).
Además, se produce una segunda alimentación (36) en una parte
intermedia (33) del lecho (35), que produce una atmósfera de
carácter reductor en la zona superior (31) del lecho (35).
El reactor (30) puede incluir unas hileras de
tubos (no representados) destinados a distribuir el flujo en la
zona superior (31), con el fin de evitar la aparición de zonas
muertas.
Cuarta realización
preferida
Tal como se aprecia en la Figura 4, se presenta
un reactor (40) de lecho fluido de de dos zonas (41, 42) en el que
la zona superior (41) presenta una sección menor que la zona
inferior (42). Se produce una primera alimentación (44) en la zona
inferior (42) del lecho (45), la cual produce una atmósfera de
carácter reductor en dicha zona inferior (42) del lecho (45).
Además, se produce una segunda alimentación (46) en una parte
intermedia (43) del lecho (45), que produce una atmósfera de
carácter oxidante en la zona superior (41) del lecho (45).
El reactor (40) puede incluir unas hileras de
tubos (no representados) destinados a distribuir el flujo en la
zona superior (41), con el fin de evitar la aparición de zonas
muertas.
Claims (8)
1. Reactor (10, 20, 30, 40) de lecho fluido de
dos zonas (11,12, 21, 22; 31, 32; 41, 42), en el que se produce una
primera alimentación (14, 24, 34, 44) en la parte inferior (12, 22,
32, 42) del lecho (15, 25, 35, 45) y se produce una segunda
alimentación (16, 26, 36, 46) en una parte intermedia (13, 23, 33,
43) del mencionado lecho (15, 25, 35, 45), donde una de las
alimentaciones (14, 16; 24, 26; 34, 36; 44, 46) está constituida
por reactivos y otra de las alimentaciones (14, 16; 24, 26; 34, 36;
44, 46) está constituida por un agente oxidante de los reactivos o
un catalizador de una reacción de oxidación de los reactivos, como
consecuencia de lo cual se generan en el interior del reactor (10,
20, 30, 40) de la invención dos zonas (11, 12; 21, 22; 31, 32; 41,
42) superior e inferior diferenciadas, una de dichas zonas es una
zona de atmósfera reductora y la otra zona es una zona de atmósfera
oxidante, de aplicación en procesos de oxidación con regeneración
simultánea del catalizador, caracterizado porque las
dimensiones de la sección correspondiente a la zona de atmósfera
oxidante son distintas de las dimensiones correspondientes a la
zona de atmósfera reductora.
2. Reactor (10, 20, 30, 40) según la
reivindicación 1, caracterizado porque la zona superior (11,
21, 31, 41) presenta mayor sección y es una zona de atmósfera
reductora, mientras que la zona inferior (12, 22, 32, 42) presenta
menor sección y es una zona de atmósfera oxidante.
3. Reactor (10, 20, 30, 40) según la
reivindicación 1, caracterizado porque comprende dos
elementos superior e inferior de sección uniforme, siendo dichas
secciones uniformes distintas entre sí, y comprende adicionalmente
un tercer elemento intermedio de sección variable a modo de
conexión.
4. Reactor (10, 20, 30, 40) según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el elemento superior presenta sección variable.
5. Reactor (10, 20, 30, 40) según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la zona superior (11, 21, 31, 41) presenta menor sección y
es una zona de atmósfera reductora, mientras que la zona inferior
(12, 22, 32, 42) presenta mayor sección y es una zona de atmósfera
oxidante.
6. Reactor (10, 20, 30, 40) según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque incorpora adicionalmente en la zona superior (11, 21, 31,
41) unas hileras de tubos destinados a distribuir el flujo para
evitar la aparición de zonas muertas.
7. Reactor (10, 20, 30, 40) según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado
porque el lecho (15, 25, 35, 45) comprende unas membranas
selectivas al hidrógeno, para retirar el hidrógeno del medio de
reacción en reacciones de formación de hidrógeno, desplazando la
reacción hacia el lado de los productos.
8. Uso del reactor (10, 20, 30, 40) descrito en
las reivindicaciones anteriores para la filtración de los gases
calientes de la reacción y la filtración de partículas o compuestos
poco volátiles presentes en dichos gases, mediante la introducción
del gas caliente en la zona superior del lecho, con lo que el sólido
del lecho actúa como filtro absorbiendo las partículas poco
volátiles y produciéndose la combustión de las mismas en la zona
inferior (12, 22, 32, 44), donde está prevista la alimentación de
una comente de un agente oxidante.
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