ES2642139T3

ES2642139T3 - Proceso y aparato para reacciones endotérmicas

Info

Publication number: ES2642139T3
Application number: ES12184303.1T
Authority: ES
Inventors: Julien CANCES; Frederic Camy-Peyret
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: KR20150054766A; CN104620050B; US9533275B2; EP2708812B1; RU2015113308A; CA2880132C; SA515360132B1; ZA201500563B; CN104620050A; MY181002A; BR112015004134A2; RU2643734C2; PL2708812T3; IN2015MN00126A; US20150217250A1; KR102158887B1; MX2015003184A; MX356160B; EP2708812A1; WO2014040815A1

Description

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DESCRIPCION

Proceso y aparato para reacciones endotermicas

La presente invencion trata del diseno de hornos de caldeo por arriba (“top-fired”) para el Reformado de metano con vapor de agua (SMR) y otras reacciones endotermicas en reactores caldeados externamente.

El proceso SMR esta basado principalmente en la reaccion de reformado de hidrocarburos ligeros, tales como metano, que produce una mezcla de hidrogeno (H2) y monoxido de carbono (CO) en presencia de vapor de agua. La reaccion es endotermica y lenta y requiere, para tener lugar, una entrada de calor adicional, asf como un catalizador. El reactor SMR comprende usualmente varios tubos colocados en un horno, estando dichos tubos llenos de granulos de catalizador y alimentados con la mezcla gaseosa de metano y vapor de agua del proceso.

Se encuentran ampliamente en la industria varios tipos de disenos de horno. La tecnologfa de caldeo por arriba es uno de los disenos a los que mas se ha hecho referencia y la proponen varios proveedores de tecnologfa. Los hornos de caldeo por arriba estan hechos tipicamente de una caja de fuegos revestida refractaria que contiene varias filas de tubos que contienen catalizador. Los quemadores de boveda estan colocados en filas entre medias de las filas de tubos y los productos de combustion que salen de los quemadores se soplan de modo usualmente vertical hacia abajo, de manera que las filas de tubos miran hacia las llamas en su parte de arriba. Un colector de escape de los gases de combustion esta dispuesto usualmente al nivel de la solera.

El objetivo principal del diseno del horno, denominado tambien a menudo diseno de la caja de fuegos, es maximizar el calor transmitido de las llamas del quemador a los tubos, al tiempo que se respeta la restriccion de la temperatura de funcionamiento maxima de los tubos, que es una funcion de la carga mecanica de los tubos (principalmente la presion del gas de alimentacion), las propiedades mecanicas de las aleaciones utilizadas para los tubos y la vida util deseada de los tubos. En realidad, cualquier intensificacion del calor transmitido a los tubos tiene un impacto positivo directo, sobre la productividad del horno o sobre el caracter compacto de la caja de fuegos, que es valioso desde el punto de vista de los gastos de capital. Sin embargo, la intensificacion de la accion calonfica implica usualmente niveles mas altos de temperatura del forro de los tubos que reducen la vida util de los tubos o requieren aleaciones mas resistentes, que son mucho mas caras.

Los perfiles de temperatura de los tubos catalizadores son, por lo tanto, un elemento cntico del diseno y el funcionamiento del horno, en el foco del compromiso entre comportamiento y durabilidad. Los perfiles verticales tfpicos para flujo calonfico y temperatura de los tubos estan trazados graficamente en la figura 2 en un valor medio circunferencial. El perfil de flujo calonfico resalta claramente que la parte (superior) de entrada de alimentacion del tubo es la zona preferida para la transmision de calor. En realidad, varios factores favorecen la maximizacion del flujo calonfico:

• La proximidad de los quemadores y el punto de entrada de alimentacion, lo que implica una diferencia de temperaturas maxima entre la carga (tubos) y la fuente de liberacion de calor (quemadores)

• Las mas altas velocidades de reaccion y, asf, una disipacion de calor que tira hacia abajo de las temperaturas de los tubos

Esto subraya la superioridad del diseno de caldeo por arriba, en comparacion con otros, respecto al rendimiento de la transmision de calor.

Cuanto mas ngido es el perfil de flujo calonfico y temperatura en la parte superior del tubo, mayor es la accion calonfica para el tubo a la misma temperatura de diseno (resistencia a la fluencia) y, asf, mayor es la capacidad de caudal de gas del proceso por tubo a la misma velocidad de conversion. El diseno real de caldeo por arriba para aumentar la transmision de calor en la parte superior del horno esta limitado, sin embargo, a la capacidad de las llamas gaseosas producidas por los quemadores normales utilizados en los hornos para transferir la energfa qmmica a los tubos a partir de la radiacion de los gases calientes. En realidad, varios fenomenos limitan la capacidad de los quemadores de caldeo por abajo (“down-fired”) normales:

• Los niveles de oxido de nitrogeno (NOx) altos penalizan fuertemente la seleccion de quemadores de llamas cortas por razones medioambientales, mientras que un medio tfpico para reducir las emisiones de NOx termicas es diluir la llama con gases quemados, o escalonar las inyecciones de combustible de manera que la temperatura maxima de la llama se reduzca por debajo de I.0O0 °C. Como consecuencia, se reduce la capacidad de la llama para transmitir calor en la parte superior del horno y, por lo tanto, el calor proporcionado para la reaccion. Esta restriccion es un compromiso tfpico entre llamas mas largas y mas fnas y otras mas cortas, menos eficientes en NOx.

• La ffsica de la transmision de calor por radiacion entre medios gaseosos y paredes es intnnsecamente menos eficiente que la que se tiene entre superficies de pared de temperaturas diferentes. El volumen dimensional caractenstico de 1 m de gases calientes tiene una emision neta tfpica muy por debajo de la de una superficie solida de alta emisividad calentada a la misma temperatura.

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Ademas, en reformadores de caldeo por arriba el calor necesario para que ocurra la reaccion endotermica lo proporcionan los quemadores situados entre los tubos. Los quemadores adicionales en el lado del horno, a lo largo de las paredes del horno, calientan solamente una fila de tubos en un lado y la pared refractaria en el otro lado. Los quemadores en medio de la caja de fuegos calientan dos filas de tubos por ambos lados de la fila de quemadores. Por lo tanto, la potencia requerida de los quemadores laterales es menor (~52%, incluyendo las perdidas de calor en la pared lateral) que la del centro del horno. La reduccion de la potencia inyectada en las filas de quemadores laterales, mientras se mantiene constante la estequiometna, implica reducir los caudales de aire y combustible.

La teona de mecanismos y chorros de fluido definira la disposicion del flujo tfpica dentro de una caja de fuegos de caldeo por arriba, lo que significa que los quemadores laterales calientan la aspiracion de chorros de gases quemados hacia el centro intermedio de la caja de fuegos. La llama de chorro arrastra parte del gas de combustion circundante, creando una depresion y, por consiguiente, una recirculacion de gases de combustion. Por lo tanto, los quemadores situados a lo largo de las paredes estan sometidos a una recirculacion menor (es decir, depresion) sobre el lado de la pared que sobre el lado del horno, debido a la presencia de la siguiente fila de quemadores. Si la potencia o caudales mas bajos a lo largo de las paredes laterales producen una velocidad mas baja, esto reforzara el efecto de curvado de las llamas laterales hacia el centro, debido a la cantidad de movimiento mas debil de los chorros laterales, como se ilustra en la figura 3.

En el documento US 2007/0099141 A1, se proponen un metodo y un horno para generar llamas enderezadas en hornos, en donde se introduce un oxidante en una pluralidad de conductos para oxidante. Cada uno de los conductos para oxidante tiene una salida en comunicacion de fluido con el interior del horno, proxima a un primer extremo interior de dicho horno. El primer extremo interior del horno tiene una zona que sobresale horizontalmente. Las salidas de los conductos para oxidante definen una zona combinada de chorro libre turbulento que sobresale horizontalmente en el 30% de la distancia media desde un primer extremo interior del horno hasta un segundo extremo interior del horno, dispuesto enfrente del primer extremo interior.

El documento US 2007/0128091 describe una camara de horno rodeada por una pared circunferencial de horno, en la que una pluralidad de quemadores estan dispuestos esencialmente en un plano, con la direccion de salida de los quemadores dirigida hacia abajo y una pluralidad de tubos de reaccion estan dispuestos de modo esencialmente vertical y paralelos entre sf, por lo que los tubos de reaccion son calentados desde el exterior por quemadores de caldeo. Se pretende mejorar la distribucion de calor y toda la transmision de calor. Esto se consigue disponiendo, al menos, los quemadores exteriores en la zona de la pared de horno con una direccion de salida de los quemadores que esta inclinada con relacion a la vertical, alejandose del centro del horno.

El documento EP 2 369 229 A2 describe un reformador y un metodo para hacer funcionar este reformador, que incluye la combustion de combustible en una zona de combustion de un reformador de caldeo por arriba o de caldeo por abajo, en donde al menos uno de los quemadores es un quemador unido a la pared, que forma una inyeccion no uniforme. Las propiedades de inyeccion no uniforme generan un perfil calonfico que proporciona una primera densidad calonfica proximal a una pared y una segunda densidad calonfica distal de la pared, en donde la segunda densidad calonfica es mayor que la primera densidad calonfica. Las propiedades de inyeccion no uniforme se forman seleccionando un angulo de uno o mas inyectores, un caudal de uno o mas inyectores, una cantidad y/o situacion de los inyectores de oxidante, una cantidad y/o situacion de los inyectores de combustible, y combinaciones de los mismos.

El artfculo "Fluegas flow patterns in top-fired steam reforming furnaces", de W. Cotton, publicado en 2003 por Johnson Matthey, ensena que los reformadores que comprenden quemadores exteriores caldeando con un regimen del 70%, en comparacion con los quemadores interiores y un carril exterior entre los tubos y el lado del horno que tiene el 70% de la anchura de los carriles interiores entre dos filas de tubos, reducen el problema de la recirculacion. Segun el artfculo, es posible tambien que funcionen con quemadores exteriores con un regimen del 100% caldeando al interior de un carril exterior que tiene la misma anchura que los carriles interiores, sin ningun curvado de las llamas hacia el centro del horno.

El documento US 2012/0126177 A1 describe un metodo para el reformado primario catalttico de hidrocarburos con vapor de agua a presion elevada mediante un reactor de tubos divididos y una camara de caldeo. En el sistema de tubos divididos, que puede usar un material catalizador, los hidrocarburos a reformar se convierten, mediante vapor de agua, en gas de smtesis. El sistema de tubos divididos es calentado por una pluralidad de instalaciones de caldeo entre los tubos divididos, que incluyen una pluralidad de quemadores dispuestos en serie, generando los quemadores llamas principalmente dirigidas hacia abajo. Se suministran combustible y aire a las instalaciones de caldeo relevantes, siendo retirado el aire de los alimentadores relevantes. El gas de combustion que se desprende asf pasa a traves de la camara de caldeo de la parte de arriba a la de abajo y entra en la zona inferior de la camara de caldeo, en tuneles ceramicos de gas de combustion dispuestos horizontalmente, que se extienden paralelos entre sf y perpendiculares a los tubos divididos verticales y que estan atribuidos a una instalacion de caldeo cada uno. El gas de combustion entra a traves de aberturas en las paredes laterales de los tuneles de gas de combustion. El gas de combustion en la salida de la camara de caldeo se hace entrar en dispositivos de recuperacion de calor. En cada tunel de gas de combustion, se alimenta un gas adicional al lado delantero del tunel, en la direccion del flujo del gas de combustion, en donde el gas contiene oxfgeno y un gas incombustible, de manera que el gas adicional pasa a los

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tuneles de gas de combustion por toda la longitud de la camara de caldeo. Se regula el volumen del gas adicional que entra en los tuneles de gas de combustion. Por ello, se consigue un aprovechamiento termico optimo del calor.

El documento DE 1 033 854 A1 se refiere a un horno de reformado tubular para reformar cataltticamente hidrocarburos con vapor de agua a una presion elevada. Dicho horno de reformado comprende un sistema de tubos reformadores y una camara de calentamiento. El sistema de tubos reformadores se usa como camara de reaccion y abarca una pluralidad de tubos verticales. Los tubos estan dispuestos en filas, pueden estar llenos de catalizador y estan provistos de dispositivos para alimentar a la camara de reaccion vapor de agua e hidrocarburos que se han de reformar. Ademas, la camara de reaccion proporciona dispositivos para descargar gas sintetico reformado de la misma. La zona superior de la camara de combustion del horno de reformado inventivo comprende una pluralidad de dispositivos de caldeo que producen llamas dirigidas sustancialmente hacia abajo que calientan los tubos. La zona inferior de la camara de calentamiento comprende una pluralidad de tuneles paralelos que estan dispuestos en una direccion esencialmente horizontal, se extienden perpendiculares a los tubos verticales y dejan que los gases del horno escapen a traves de aberturas en las paredes laterales de los tuneles. Las paredes exteriores de los tuneles estan realizadas de manera esencialmente conica, estrechandose gradualmente en una direccion hacia arriba. Esta realizacion debena homogeneizar los perfiles de velocidad y, por lo tanto, tambien los perfiles de calor en los tubos.

Todas las soluciones propuestas tienen en comun que no permiten un diseno de horno que proporcione a los quemadores exteriores solamente la cantidad requerida de potencia. Como se presenta, p. ej., en el artfculo citado "Fluegas flow patterns in top-fired steam reforming furnaces", el regimen de potencia de los quemadores no esta reducido al valor calculado de aproximadamente el 52%. Por lo tanto, las soluciones conocidas evitan el curvado de la llama hacia el centro del horno, pero no impiden un sobrecalentamiento de los tubos que contienen catalizador situados proximos a las paredes de horno. Tal sobrecalentamiento conduce a reacciones laterales no deseadas y un dano irreversible del catalizador.

Por lo tanto, el objeto de la presente invencion es proponer un horno y un metodo para hacer funcionar este horno que evitaran el efecto de curvado de las llamas laterales hacia el centro, asf como el problema de sobrecalentar los tubos proximos a las paredes del horno.

Esta tarea se consigue por las caractensticas de la presente reivindicacion 1. El horno para realizar un proceso endotermico comprende varios tubos que contienen catalizador, que estan dispuestos en el interior del horno, tipicamente en filas. En el interior de estos tubos catalizadores, una alimentacion (educto) gaseosa se convierte en una reaccion que absorbe energfa del entorno en forma de calor. Este calor lo proporcionan varios quemadores, que estan situados en la zona de arriba del horno. Parte de los quemadores son los denominados “quemadores interiores” y estan situados entre las filas de tubos, mientras que los denominados “quemadores exteriores” estan dispuestos entre los tubos mas exteriores y la pared de horno. La direccion de salida de los quemadores esta dirigida hacia abajo. Los tubos catalizadores estan dispuestos de modo esencialmente vertical y paralelos entre sf, en donde la alimentacion fluye a traves de los tubos desde la parte de arriba a la de abajo.

Para evitar el curvado de la llama y el sobrecalentamiento de los tubos, se proponen tres modificaciones diferentes del diseno actual:

• Los quemadores exteriores o laterales estan situados proximos a la pared de manera que sus llamas se pegan al refractario. Esto evitara que las llamas se curven hacia la parte central del horno debido al efecto denominado “pared de chorro”, que permite que la llama fluya lejos de la pared. Proxima a la pared, en el sentido de la presente invencion, significa que la corriente que se emite desde la boquilla del quemador esta fluyendo directamente a lo largo de la pared. El quemador esta colocado tan proximo como sea posible a la pared, incluso tocandola. Segun la invencion, esto significa que la distancia del eje central del quemador a la pared de horno es menor que el 25%, preferiblemente el 10%, mas preferiblemente el 5%, lo mas preferiblemente el 2% de la distancia entre los tubos mas exteriores y la pared de horno. En la mayona de los casos, los quemadores laterales no seran circulares, sino de forma rectangular plana.

• La potencia de los quemadores exteriores o laterales esta disenada en un valor entre el 45 y el 60%, preferiblemente del 50 al 55% de la potencia de los quemadores interiores. Esto evitara el sobrecalentamiento de los tubos en la segunda fila de tubos, como se ha explicado anteriormente. La potencia se ajusta por la cantidad del combustible quemado.

• Los quemadores exteriores estan dimensionados de manera que su velocidad de entrada del chorro es esencialmente la misma que en los quemadores interiores. Son posibles desviaciones de, como maximo, el 10%, preferiblemente el 5%. Esto permitira que la disposicion del flujo sea mas uniforme y las lmeas de corriente sean mas rectas hacia abajo. La velocidad de entrada de la alimentacion del quemador se ajusta por el flujo volumetrico total a traves de la boquilla del quemador.

En una realizacion preferida de la invencion, los tubos estan dispuestos en filas. Segun la invencion, una fila es una disposicion de al menos dos, preferiblemente al menos tres quemadores en lmea recta o una disposicion de quemadores que estan a la misma distancia al centro del horno (como anillos alrededor del centro de un cfrculo).

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La relacion entre la distancia de la pared lateral de horno a la primera fila de tubos y el espacio entre dos filas de tubos posteriores se establece en el mismo valor que la relacion entre la potencia de los quemadores exteriores e interiores. Esto permitira mantener una velocidad media constante a traves de la caja de fuegos. Esto debena evitar la perturbacion del flujo debida a las velocidades diferenciales desde zonas diferentes del horno.

Ademas, la idea de la invencion de generar un perfil de temperatura homogeneo para el horno se consigue incluso mejor si se usa la denominada “superficie solida de alta emisividad”. Para este efecto, al menos partes de las paredes estan provistas de una superficie solida de alta emisividad, resistente a la alta temperatura. Las superficies radiantes estan dispuestas de manera que extraen mucho calor de las llamas a traves del intercambio por radiacion y conveccion para tener una temperatura superficial mas alta y de manera que emiten, a cambio, flujo de alta radiacion hacia la parte superior de los tubos, estando dichos tubos a temperaturas relativamente bajas en comparacion con las superficies radiantes.

Unos ladrillos refractarios de alta emisividad, o unas laminas delgadas o una capa revestida estan dispuestos sobre la superficie de la boveda de horno y la parte superior de las paredes laterales, siendo la alta emisividad debida a las propiedades intrmsecas del material, por ejemplo usando laminas de carburo de silicio, o al tratamiento superficial o la texturizacion, por ejemplo usando laminas de espuma ceramica, preferiblemente hechas de oxido de aluminio o de oxido de silicio.

Se consiguen buenos resultados particulares si al menos una parte de los quemadores son los denominados “quemadores de llama de chorro”. Las denominadas “llamas de chorro” estan caracterizadas por un perfil de velocidad inicial de una llama que se asemeja al del flujo completamente desarrollado en los tubos. El penacho de llama esta principalmente confinado dentro de la capa de mezcla del chorro. Las llamas son muy oblicuas respecto al flujo incidente y parecen mas delgadas y altas.

Tambien el diseno de al menos algunos de los quemadores, como los denominados “quemadores con tecnologfa de llamas esfericas de alta turbulencia”, conduce a un perfil de temperatura muy homogeneo a traves del horno. La alta turbulencia favorece la formacion de una zona de recirculacion y es el mecanismo esencial para la estabilizacion de la llama. Se pueden producir flujos de turbulencia por inyecciones de chorros tangenciales o por dispositivos de turbulencia con aspas. La llama es anclada por los productos calientes atrapados en el interior de la zona de recirculacion. El regimen de turbulencia, expresado en terminos de un numero de turbulencia, impone el tamano y la intensidad de la zona de recirculacion en la mayona de las propiedades de la llama.

La implementacion de la llama en el interior de un elemento cerrado con blindaje radiante poroso conduce a un perfil de temperatura mas homogeneo de la propia llama. El blindaje radiante esta hecho de material resistente a las altas temperaturas, tal como espuma ceramica porosa con alta emisividad (carburo de silicio, oxido de aluminio y oxido de silicio). El uso de quemadores radiantes permite disenar el horno con sistema optimizado de tubo de quemador a suelo de tubos, lo que minimiza las heterogeneidades del flujo circunferencial. Los suelos mas interesantes tienen una configuracion cuadrada o una hexaedrica del quemador respecto a los tubos catalizadores.

El suelo cuadrado es ventajoso para la homogeneidad del flujo calonfico y permite un diseno mas sencillo del colector para la distribucion de los fluidos (aire de combustion, combustible y alimentacion); el mismo requiere, sin embargo, mayor densidad de quemadores por tubo.

El suelo hexaedrico es optimo desde el punto de vista de la distribucion del flujo calonfico y la limitacion del numero de quemadores, pero requiere una ligera complejidad adicional en el diseno de los sistemas de distribucion y recogida de fluido. Se ha de adaptar la longitud del blindaje radiante basandose en el suelo y el diametro del tubo, ventajosamente entre el 10 y el 40% de la longitud del tubo, optimamente entre el 20 y el 33% de la longitud del tubo.

El diseno preferido de la boveda de horno es tal que las superficies de alta temperatura y alta emisividad tienen su normal respectiva dirigida hacia los tubos. Las superficies emisoras correspondientes se pueden considerar ventajosamente sobresaliendo de forma convexa hacia dentro de la camara de combustion o, al contrario, estan rebajadas en una configuracion concava. Se pueden disponer laminas refractarias de alta emisividad en la zona calentada por las llamas. Para la forma convexa, la implementacion mas simple esta basada en quemadores de pared con llamas de chorro de caldeo hacia abajo, alrededor del abultamiento convexo con llamas de caldeo hacia abajo. Una configuracion mas compleja hace que las llamas caldeen hacia arriba desde el extremo en punta del abultamiento convexo para aumentar la zona radiante cubierta por las llamas y, asf, el rendimiento de transmision a los tubos.

La invencion cubre tambien un proceso para hacer funcionar un horno, como se ha descrito anteriormente. Tal proceso incluye las caractensticas de la reivindicacion 11. Un educto gaseoso se alimenta a traves de tubos que contienen catalizador, para realizar un proceso endotermico. Los tubos catalizadores estan situados en el interior del horno y estan calentados por quemadores interiores colocados sobre la parte de arriba del horno entre los tubos y por quemadores exteriores colocados sobre la parte de arriba del horno entre los tubos mas exteriores y la pared de horno. La colocacion de los quemadores exteriores proximos a la pared, haciendo funcionar estos quemadores exteriores del 45 al 60%, preferiblemente del 50 al 55% de la potencia de los quemadores interiores y esencialmente

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con la misma velocidad de entrada que los quemadores interiores, es posible generar un perfil de temperatura homogeneo en los tubos catalizadores. La velocidad de entrada de los quemadores exteriores se ajusta para estar entre el 90 y el 110%, preferiblemente del 95 al 105%, de la velocidad de entrada de los quemadores interiores, de manera que existe una desviacion maxima del 10%, preferiblemente el 5%, entre las velocidades de entrada.

Preferiblemente, al menos algunas de las llamas de los quemadores estan dirigidas desde la parte de arriba hasta la de abajo del horno para evitar cualquier fenomeno de calentamiento local.

Se consiguen resultados incluso mejores si el educto fluye a traves de los tubos catalizadores verticales desde la parte de arriba a la de abajo del horno, en donde la mayona del educto ya se ha convertido en la zona de entrada de la parte de arriba del horno, ya que allf se encuentra el punto mas caliente de las llamas de los quemadores.

Para conseguir la misma velocidad de entrada en los quemadores interiores que en los quemadores exteriores, se encontro que, ventajosamente, la velocidad de entrada se ajusta por inyeccion de aire. Usando aire para adaptar el flujo de entrada, la reaccion de combustion en el quemador no se ve casi influida. Ademas, el aire es, por supuesto, el gas mas barato.

El proceso reivindicado conduce a resultados particularmente buenos si el proceso es un proceso de reformado con vapor de agua.

La invencion se describira a continuacion con mas detalle en base a las realizaciones preferidas y los dibujos. Todas las caractensticas descritas o ilustradas forman la materia sustantiva de la invencion, con independencia de su combinacion en las reivindicaciones o su referencia posterior.

En los dibujos:

la figura 1 muestra el diseno tfpico de un horno antes de una reaccion endotermica en tubos que contienen

catalizador;

la figura 2 muestra el perfil de flujo calonfico y temperatura de tubos verticales tfpicos;

la figura 3 muestra una ilustracion del curvado de la llama;

la figura 4 muestra la accion calonfica media de los tubos, fila por fila, para un horno reformador (filas de 8

tubos) y una caja de fuegos virtual de filas de 24 tubos;

la figura 5 muestra esquematicamente la seccion del horno, incluyendo el diseno propuesto;

la figura 6 muestra la accion calonfica normalizada de los tubos, fila por fila, en valor medio para un diseno

de referencia y optimizado del reformador;

la figura 7 muestra la accion calonfica normalizada para un modulo de tubos estandar (17 tubos) en un

reformador de filas de 8 tubos ((a) diseno real, (b) diseno optimizado);

la figura 8 muestra la implementacion de un quemador en combinacion con una capa refractaria de alta

emisividad;

la figura 9 muestra el concepto de llama de alta turbulencia;

la figura 10 muestra el concepto de quemador radiante para llama de difusion y premezcla;

la figura 11 muestra el quemador radiante para la disposicion de tubos;

la figura 12 muestra la implementacion de la boveda de horno como pared radiante;

la figura 13 muestra las opciones para configuraciones de una boveda concava;

la figura 14 muestra las opciones para configuraciones con una boveda convexa;

la figura 15 muestra un quemador de boveda radiante lineal.

La figura 1 muestra una disposicion tfpica de un horno de caldeo por arriba 1 utilizado para obtener un gas de smtesis a partir de una alimentacion (educto) que comprende, p. ej., metano y vapor de agua. Unos tubos catalizadores 2 estan dispuestos en varias filas dentro del horno 1. La alimentacion se suministra a traves de los tubos 2 desde la parte de arriba a la de abajo, desde donde se retira el producto resultante, p. ej., un gas de smtesis que comprende hidrogeno, monoxido de carbono y residuos. Entre las filas de tubos, unos quemadores 3 caldean verticalmente hacia abajo desde la parte de arriba. Los gases de combustion resultantes se retiran a traves de unos tuneles de escape 4.

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Los perfiles verticales tipicos para flujo calonfico y temperatura estan trazados graficamente en la figura 2. Es evidente que el perfil del flujo calonfico y de la temperatura estan acoplados entre sl Cuanto mas ngido es el perfil del flujo calonfico y de la temperatura en la parte superior del tubo, mayor es la accion calonfica para el tubo a la misma temperatura y mayor es la capacidad de caudal de gas del proceso por tubo a la misma velocidad de conversion.

La figura 3 es una ilustracion del curvado de la llama para filas de 4 y 8 tubos (solamente se ha simulado la mitad de la caja de fuegos por razones de simetna). La teona de mecanismos y chorros de fluido definira la disposicion del flujo tfpica dentro de una caja de fuegos de caldeo por arriba, lo que significa que los quemadores laterales calientan la aspiracion de chorros de gases quemados hacia el centro intermedio de la caja de fuegos. Si la potencia o los caudales mas bajos a lo largo de las paredes laterales producen una velocidad mas baja, esto reforzara el efecto de curvado de las llamas laterales hacia el centro, debido a la cantidad de movimiento mas debil de los chorros laterales.

La figura 4 muestra la accion calonfica media simulada de los tubos, por fila, para un reformador (horno) que tiene una caja de fuegos con filas de 24 tubos (solamente se ha simulado la mitad de la caja de fuegos por razones de simetna). Para contrarrestar el fenomeno del efecto de curvado, se ha aumentado paso a paso la cantidad de movimiento desde las filas de quemadores laterales, hasta el 78 % de la potencia de los quemadores interiores. El curvado de la llama no se suprime, y el aumento de potencia crea una zona sobrecalentada en el lado del horno, cuyo valor pico esta situado sobre la segunda fila de tubos, desde la pared, debido al gas de combustion caliente que fluye a traves de la primera fila de tubos y que calienta la siguiente fila.

La figura 5 muestra la modificacion del diseno como se ha propuesto con la presente invencion, en donde dos canales 5, 6 estan definidos por la pared de horno 1a y los tubos catalizadores 2. La distancia d entre dos filas de tubos catalizadores 2i y 22 define el canal intermedio 5. Unos quemadores interiores 3a estan situados en el centro, entre los tubos 2i y 22, sobre la boveda 1b del horno 1. En el canal 6 definido entre el tubo catalizador exterior 2i y la pared de horno 1a, unos quemadores exteriores o laterales 3b estan dispuestos sobre la boveda 1b del horno. La dimension d1 del canal exterior 6 se establece de manera que su relacion con la distancia d es la misma que la relacion de la potencia de los quemadores exteriores y los interiores, a saber, del 45 al 60%, preferiblemente del 50 al 58%, y con mas preferencia aproximadamente el 55% del diametro d.

La configuracion descrita anteriormente se ha simulado usando la herramienta de simulacion SMR3D (herramienta propietaria de la firma Air Liquide, basada en una herramienta de Dinamica de fluidos computacional (CFD) acoplada a un modelo de tubos de reformado). El resultado de la simulacion se presenta en las figuras 6 y 7 y se compara con un diseno de referencia. El diseno optimizado de la presente invencion da como resultado una homogeneidad de accion calonfica mucho mejor en la escala del reformador. La desviacion estandar de la accion calonfica de los tubos se ha disminuido y optimizado -fila por fila- al 1% frente al 4% en el caso de referencia y, como se muestra en la figura 7 tubo por tubo, al 3,5% frente al 6,5% en el caso de referencia.

La figura 8a muestra la implementacion mas simple de un quemador 3 en combinacion con una capa refractaria 7 de alta emisividad dispuesta en el interior de la boveda de horno 1b. La capa refractaria 7 de alta emisividad puede estar formada a partir de unos ladrillos, unas laminas delgadas o una capa revestida, en donde la alta emisividad resulta de las propiedades intnnsecas del material, por ejemplo usando laminas de SiC, o del tratamiento superficial o la texturizacion, por ejemplo usando laminas de espuma ceramica. Una fila de quemadores de chorro 3 separados de potencia reducida forman una llama plana continua. En comparacion con la tecnica anterior, la implementacion innovadora propuesta usa quemadores de llama de chorro dispuestos en una llama continua con un numero enorme de inyecciones de aire y combustible escalonadas, p. ej., entre 10 y 30 inyectores de combustible por metro, en comparacion con un quemador cada 2 a 6 metros que se ha propuesto en los disenos de la tecnica anterior.

Para la implementacion mas eficiente de transmision de calor, unos quemadores de pared 8 pueden estar basados en una tecnologfa de quemadores radiales, como se muestra en la figura 8b, o en una tecnologfa de quemadores de pared en rampa, como se muestra en la figura 8c, probablemente dispuestos de modo escalonado con tubos.

Como se presenta en la figura 9, es posible tambien la implementacion de tecnologfa de combustion de llamas esfericas de turbulencia asociada con una capa 7 de alta emisividad sobre la boveda de horno 1b. En la misma, la propia llama esta capturada en una zona de recirculacion, cuando el combustible, asf como la fuente de oxfgeno y/o el vapor de agua, se hace recircular desde un punto mas bajo de la llama de vuelta a la direccion de la boveda de horno.

La figura 10 muestra dos implementaciones de la invencion que usan quemadores radiantes cilmdricos unitarios de dos clases posibles: la figura 10a muestra una llama de difusion encerrada en una pantalla radiante 9. Se recomiendan unos pasos 10, que permiten que los gases de combustion entren en la base de la llama por efecto venturi, para conseguir bajas cantidades de NOx. La dilucion de las sustancias reaccionantes de combustion con el gas de combustion reducira la temperatura maxima de la llama. Tanto la dilucion como la temperatura hacen caer la cinetica de formacion de NOx.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

La combustion premezclada con fijacion de llama en forma porosa se presenta, a su vez, en la figura 10b. La reaccion de combustion ocurre en el interior del medio poroso, que es calentado y emite radiacion hacia los tubos que estan delante del mismo. La ventaja principal de esta tecnologfa es que la radiacion podna estar situada en el lugar optimo con relacion a la transmision de calor a los tubos.

El blindaje radiante esta hecho de material resistente a las altas temperaturas, tal como una espuma ceramica porosa con alta emisividad (SiC, AhO3, ZrO2).

El uso de quemadores radiantes permite disenar el horno con sistema optimizado de tubo de quemador a suelo de tubos que minimiza las heterogeneidades del flujo circunferencial que se presentan en la figura 11. Se proponen dos suelos de tubos: la figura 11a muestra un suelo de tubos cuadrado, mientras que la figura 11b muestra un suelo de tubos hexaedrico con un quemador estandar.

La figura 12 muestra la implementacion de quemadores que calientan la propia boveda de horno 1b y usa esta boveda como pared radiante. Como se muestra en la figura 12a, es posible disenar el revestimiento interior refractario de alto aislamiento, de baja conductividad calonfica, con una forma convexa o, como se muestra en la figura 12b, con una concava.

La figura 13 muestra diferentes configuraciones de quemador que se pueden implementar en una boveda de quemadores con forma concava. La vista, en corte transversal, para dos paredes oblicuas 1c radiantes se ilustra en la figura 13a, en donde el angulo optimo Ca esta por debajo o es aproximadamente 50°, y la anchura horizontal Cw de la boveda en forma de cueva esta disenada basandose en la anchura W del pasillo de tubos y el angulo Ca, de manera que se mantiene espacio suficiente para disponer los quemadores debidamente.

En la figura 13b, unos quemadores de chorro 3 tfpicos, tales como se muestran en la figura 8, estan dispuestos en lmeas para caldear hacia abajo a lo largo de las paredes radiantes oblicuas 1c en cada lado de la boveda en forma de cueva.

La figura 13c presenta la misma clase de diseno con un quemador de pared lineal continuo.

En la figura 13d, unos quemadores de pared radiales tfpicos estan dispuestos en la boveda en forma de cueva con una separacion L, de manera que se encuentra el mejor compromiso entre la homogeneidad de los flujos calonficos y la reduccion del numero de quemadores. Esto puede corresponder tfpicamente a un quemador cada 2 a 8 tubos.

Finalmente, la figura 13e presenta una configuracion, donde unos quemadores de alta turbulencia clasicos estan instalados en la boveda en forma de cueva.

La figura 14 muestra un diseno de boveda convexa (“boveda en punta”). En la figura 14a, los quemadores de pared 3 estan dispuestos alrededor de la forma convexa caldeando hacia abajo; en la figura 14b, los quemadores 3 estan dispuestos en el interior de la boveda convexa de manera que las llamas caldean hacia arriba desde el extremo en punta para aumentar la zona radiante cubierta por dichas llamas y, asf, el rendimiento de transmision a los tubos 2.

Como se muestra en la figura 15, es posible tambien disponer una camara de combustion porosa en la que esta caldeando, al menos, un quemador de gran potencia. Se pueden anadir aberturas proximas a la base de la llama (paredes laterales 1a del horno) para permitir que los gases de combustion recirculen desde la atmosfera del horno hacia dentro de la camara generadora de gas por presion en secciones de efecto venturi. La configuracion presentada en la figura 15a muestra una disposicion de quemador unico con caldeo escalonado desde un pasillo de tubo a tubo hasta otro. Esta configuracion ahorra los costes de capital de varios quemadores unitarios en comparacion con la tecnica anterior, donde se usan hasta 15 o 20 por fila en un gran reformador de caldeo por arriba, y que se puede reemplazar por uno o dos en la realizacion presentada. Una configuracion mas fiable es tener dos quemadores por canal radiante, como se muestra en la figura 15b, de manera que el comportamiento del horno estana afectado menos cnticamente en caso de un descenso inaceptable del quemador.

Lista de numeros de referencia:

1 horno

1a pared de horno

1b boveda de horno

1c pared de horno oblicua

2 tubo

3 quemador

3a quemador interior

3b quemador exterior

4 tunel de escape

5 canal intermedio

6 canal exterior

5 7 capa refractaria de alta emisividad

8 quemador de pared

9 pantalla radiante

10 paso

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

REIVINDICACIONES

1. Un horno para realizar un proceso endotermico, que comprende unos tubos (2) que contienen un catalizador para convertir una alimentacion gaseosa, en donde dichos tubos (2) estan situados en el interior del horno (1), unos quemadores interiores (3a) montados en una boveda de horno (1b) entre los tubos (2), y unos quemadores exteriores (3b) montados en la boveda de horno (1b) entre los tubos (2) y una pared de horno (1a), caracterizado por que los quemadores exteriores (3b) estan situados de manera que la distancia del eje central de los quemadores exteriores (3b) a la pared de horno (1a) es menor que el 25% de la distancia entre los tubos mas exteriores y la pared de horno (1a), y que los quemadores exteriores (3b) estan configurados para funcionar con el 45 - 60% de la potencia de los quemadores interiores (3a) y con una velocidad de entrada entre el 90 y el 110% de la velocidad de entrada de los quemadores interiores (3a).
2. El horno segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los tubos (2) estan situados en filas y que la relacion entre la distancia de la pared de horno (1a) a la primera fila de tubos y el espacio entre dos filas de tubos adyacentes corresponde a la relacion entre la potencia de los quemadores exteriores y la potencia de los interiores (3a, 3b).
3. El horno segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que al menos una parte de la boveda de horno (1b) esta provista de una superficie solida (7) de alta emisividad, resistente a la temperatura.
4. El horno segun la reivindicacion 3, caracterizado por que la superficie solida (7) de alta emisividad contiene carburo de silicio o espumas ceramicas porosas.
5. El horno segun cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por que al menos algunos de los quemadores (3a, 3b) son quemadores de llama de chorro.
6. El horno segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que al menos algunos de los quemadores (3a, 3b) son quemadores con tecnologfa de llamas esfericas de alta turbulencia.
7. El horno segun cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por que al menos algunos de los quemadores (3a, 3b) estan dispuestos de manera que la llama se forma sobre una pantalla radiante porosa.
8. El horno segun la reivindicacion 7, caracterizado por que al menos algunos de los quemadores (3a, 3b) estan dispuestos en una configuracion cuadrada o una hexaedrica respecto a los tubos catalizadores (2).
9. El horno segun la reivindicacion 7 u 8, caracterizado por que la longitud de la pantalla radiante esta entre el 10 y el 40% de la longitud de los tubos que contienen catalizador.
10. El horno segun cualquiera de las reivindicaciones previas, caracterizado por que al menos una parte de la boveda de horno (1a) esta disenada para tener una forma concava o convexa.
11. Un proceso para hacer funcionar un horno a fin de realizar un proceso endotermico con unos tubos que contienen catalizador, situados en el interior del horno, para convertir una alimentacion gaseosa y que son calentados por unos quemadores interiores montados en una boveda de horno entre los tubos y por unos quemadores exteriores montados en la boveda de horno entre los tubos y una pared de horno, caracterizado por que los quemadores exteriores estan situados de manera que la distancia del eje central de los quemadores exteriores a la pared de horno es menor que el 25% de la distancia entre los tubos mas exteriores y la pared de horno, que los quemadores exteriores se hacen funcionar con el 45 - 60% de la potencia de los quemadores interiores y que una velocidad de entrada de los quemadores exteriores se ajusta para estar entre el 90 y el 110% de la velocidad de entrada de los quemadores interiores.
12. El proceso segun la reivindicacion 11, caracterizado por que al menos algunas de las llamas de los quemadores estan dirigidas desde la parte de arriba a la de abajo del horno.
13. El proceso segun la reivindicacion 11 o 12, caracterizado por que la alimentacion fluye a traves de los tubos catalizadores dispuestos verticalmente desde la parte de arriba a la de abajo del horno.
14. El proceso segun cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, caracterizado por que la velocidad de entrada se ajusta por inyeccion de aire.
15. El proceso segun cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, caracterizado por que el proceso endotermico es un proceso de reformado con vapor de agua.