ES2822331T3 - Medios microfibrosos para optimizar y controlar reacciones/procesos altamente exotérmicos y altamente endotérmicos - Google Patents

Abstract

Un sistema que comprende: a. un recipiente tubular, rectangular o cónico, estando hecho el recipiente de un material termoconductor; y b. un relleno interno, contenido dentro del recipiente, para mejorar el transporte de calor dentro o fuera del recipiente, comprendiendo el relleno interno un medio microfibroso, estando hecho el medio microfibroso de fibras térmicamente conductoras, en el que las fibras térmicamente conductoras tienen un tamaño micrométrico y un diámetro medio de 1-30 micrómetros, en el que una orientación del relleno interno está configurada para promover la transferencia de calor entre un fluido y las paredes internas del recipiente usando discos de medios microfibrosos apilados en una dirección axial del recipiente, en el que el relleno interno contacta con las paredes internas del recipiente, en el que una dirección de flujo de fluido está en la dirección axial del recipiente y perpendicular o casi perpendicular a los discos de medios microfibrosos, en el que el medio microfibroso contiene un proceso inmovilizado microfibroso y un facilitador de reacciones químicas, aumentando el proceso inmovilizado microfibroso y el facilitador de reacciones químicas el transporte de calor y la conducción eléctrica; y c. estructuras de soporte para sostener y comprimir el proceso inmovilizado microfibroso y el facilitador de reacción química, en el que el medio microfibroso está entre las estructuras de soporte.

Description

DESCRIPCIÓN

Medios microfibrosos para optimizar y controlar reacciones/procesos altamente exotérmicos y altamente endotérmicos

Campo de la invención

La invención se refiere a un recipiente de relleno que se puede usar para llevar a cabo reacciones o procesos altamente exotérmicos o altamente endotérmicos que utilizan un control fino de la temperatura.

Antecedentes de la invención

Las reacciones y los procesos exotérmicos como Fischer-Tropsch, y la formación de metanol a partir de gas de síntesis, oxidación de etileno, anhídrido maleico, anhídrido ftálico, formaldehído, acrilonitrilo, ácido acrílico, 1,2-dicloroetano, cloruro de vinilo, compresión de aire, dilución de ácido concentrado, condensación de vapor y otros son fuertemente exotérmicos. Las reacciones y procesos endotérmicos como el reformado y evaporación de metano con vapor y otros son fuertemente endotérmicos. Se requiere una transferencia de calor eficiente desde/hacia la zona de reacción para mejorar la selectividad del producto, vida útil del catalizador y seguridad operativa. Un reactor conocido, el reactor de tubos múltiples en una configuración de tubo y carcasa, se ha utilizado para reacciones altamente exotérmicas o altamente endotérmicas. Es similar a un intercambiador de calor de tubo y carcasa, como se muestra en la patente europea n.° 0.308.034. Consiste en varios tubos delgados (generalmente de menos de 2 pulgadas) en los que se llenan partículas de catalizador. Estos tubos están rodeados de líquidos refrigerantes, que pasan a través del lado de la carcasa del reactor tipo intercambiador de calor. Debido a la alta relación superficie/volumen de los tubos delgados, se puede lograr un intercambio de calor eficiente. Sin embargo, este diseño enfrentó graves problemas relativos a la ampliación de escala. A mayor escala, se requieren tubos más delgados. El creciente recuento de piezas hace que la producción de este tipo de reactores sea muy difícil y cara, especialmente a gran escala.

Había diseños de reactores que permitían que los fluidos de calentamiento o enfriamiento pasaran a través del lado del tubo y que las partículas de catalizador se llenaran dentro del espacio entre la carcasa y los tubos. Estos diseños pueden resolver simplemente el problema de la ampliación de escala de los reactores multitubulares, sin embargo, a costa de la eficiencia del intercambio de calor. En esta familia de diseño, se han utilizado diferentes tipos de geometrías de tubos para mejorar la eficiencia del intercambio de calor, como se muestra en las patentes anteriores GB 2.204.055, US 4.224.983, US 5.080.872; también se eligieron diferentes direcciones de flujo para un mejor rendimiento de intercambio de calor.

Estos diseños de reactores, sin importar lo diferentes que se vean, comparten una característica estructural común: la zona de reacción y la zona de intercambio de calor están separadas por paredes de tubo. Por lo tanto, estos reactores se pueden clasificar como reactores con intercambio externo de calor.

Se han desarrollado varios diseños nuevos de estructura de catalizador/reactor para mejorar la transferencia de calor dentro del lecho. El primer enfoque es la estructura del catalizador monolítico revestido por lavado, incluye una estructura de panal de abejas metálica (US 3.849.076; 4.101.287; 4.300.956; 6.869.578), una estructura de extrusión de monolito metálico (US 6.881.703; 7.608.344) y un reactor de microcanal metálico (US 7.084.180; 7.226.574; 7.294.734). Este enfoque reviste por lavado una capa fina de catalizador sobre la pared interna de las estructuras monolíticas. Estas estructuras hechas de materiales termoconductores (principalmente metales o aleaciones metálicas) transfieren calor rápidamente desde/hacia la zona de reacción. Algunas de las estructuras de catalizador tienen paredes de canal gruesas que permiten el intercambio de calor en sus superficies externas. Por ejemplo, se fabrica una estructura de catalizador (documento US 7.608.344) extrudiendo polvos de cobre y luego se forma la estructura sinterizando o recociendo en ambientes reductores. El cobre forma una fase continua que proporciona una conductividad térmica muy alta (por ejemplo, 200 W/Km), que equivale al producto de la conductividad térmica del cobre a granel y la fracción volumétrica del cobre (G. Groppi y E. Tronconi). La estructura de panal del cobre transfiere el calor del catalizador revestido por lavado dentro de las paredes del canal a la superficie externa del panal de manera eficiente. Otras estructuras monolíticas o de canal (US 3.849.076; 4.101.287; 4.300.956; 6.869.578, 7.084.180; 7.226.574; 7.294.734) tienen paredes de canal delgadas y tamaños de canal pequeños (generalmente varios milímetros o menos). En estos casos, algunos canales tienen fluido caliente y fluido frío que pasan a través de diferentes canales contiguos o se cruzan entre sí usando las paredes delgadas para separar los fluidos y transferir calor. Este diseño minimiza la distancia de transferencia de calor (resistencia) y proporciona un rendimiento superior de transferencia de calor a costa de la complejidad y confiabilidad del reactor. En una palabra, las estructuras monolíticas revestidas por lavado mejoran significativamente la transferencia de calor al reducir la resistencia a la transferencia de calor y aumentar el área de intercambio de calor. Sin embargo, este enfoque monolítico revestido por lavado, debido a la naturaleza del revestimiento por lavado, solo permite una fina película de catalizador cargada dentro del canal del reactor. Una carga de volumen de catalizador típica es mucho inferior al 3 % en volumen; algunas estructuras monolíticas con un tamaño de canal pequeño (por ejemplo, menos de 1 mm) pueden alcanzar una carga de catalizador del 3-8 % en volumen. Además, la transferencia de masa solo tiene lugar por difusión molecular en dirección radial, que es mucho más lenta que la transferencia de masa en un lecho de relleno típico donde predomina la difusión de gas a granel. La carga de catalizador limitada y la baja velocidad de transferencia de masa dan como resultado una cinética de reacción lenta.

Otro enfoque utiliza un medio microfibroso metálico con catalizador atrapado para una rápida transferencia de calor. Este tipo de medio fue desarrollado por primera vez por Tatarchuk en 1992 (documentos US 5.080.963, 5.096.663). El medio tenía buena conductividad eléctrica y se desarrolló como materiales de electrodo para supercondensadores y pilas de combustible. Debido a la similitud, la conductividad térmica de los materiales debe ser predecible. Desde el año 1994, este medio ha sido modificado para procesos catalíticos (documentos US 5.102.745, 5.304.330, 6231792, 7.501.012) y procesos sorbentes. En 2001, un diseño de reactor novedoso con una lámina de medio microfibroso doblada, que era paralela a la dirección del flujo se propuso para una rápida transferencia de calor. Este diseño también adolece del límite de difusión molecular radial lento debido a su patrón de flujo paralelo. Además, el medio poroso solo toma una cantidad insignificante de volumen del reactor. Considerando la fracción de bajo volumen de catalizador en este medio microfibroso, la carga total de catalizador en el reactor será extremadamente baja. La estructura plegada tiene solo varios contactos de borde con la pared del reactor para la transferencia de calor. Esto significa que el área de intercambio de calor efectivo es muy limitada. Estos inconvenientes hacen que el diseño sea mucho menos competitivo en comparación con el enfoque monolítico.

El documento EP1 029 590 desvela un material textil para su uso como adsorbente a temperaturas criogénicas que comprende fibras de carbono tejidas y elementos entretejidos de material termoconductor tal como una cinta de aleación de aluminio. El documento US20050169820 desvela una matriz microfibrosa con partículas/fibras de soporte incrustadas y materiales químicamente reactivos como un sistema de filtración para la eliminación de contaminantes y otros agentes nocivos de líquidos y corrientes gaseosas.

El documento US 5 102 745 desvela una familia de compuestos que se caracterizan como una red de una primera fibra y al menos una segunda fibra, donde al menos las primeras fibras tienen una multiplicidad de uniones unidas en su punto de cruce.

Sumario de la invención

En las reivindicaciones adjuntas se definen varios aspectos y rasgos de la presente invención.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 ilustra una fotografía de un medio microfibroso y catalizadores atrapados microfibrosos de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 2 ilustra un diagrama de un ejemplo de un conjunto de medios microfibrosos de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 3 ilustra un gráfico del factor de eficacia frente al radio de las partículas del catalizador de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 4 ilustra un gráfico de conductividad térmica medida para medios microfibrosos hechos de acero inoxidable en varias fracciones de volumen de fibras metálicas de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 5 ilustra un diagrama de un aparato de prueba para verificar la mejora de la conductividad térmica utilizando un catalizador atrapado microfibroso metálico de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 6 ilustra un gráfico del comportamiento transitorio del uso de catalizador atrapado microfibroso para mejorar la conductividad térmica de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 7 ilustra un gráfico de conductividad térmica efectiva medida en pruebas transitorias de acuerdo con algunas realizaciones.

La figura 8 ilustra un gráfico de una medida de conductividad térmica efectiva en pruebas de estado estacionario de acuerdo con algunas realizaciones.

Descripción detallada de la realización preferente

La presente invención, que se define en las reivindicaciones adjuntas, se centra en mejorar la eficiencia del intercambio de calor dentro del lecho y en mantener un alto nivel de catalizador, carga de sorbente o electrocatalizador. En algunos aspectos, los catalizadores, los sorbentes y los electrocatalizadores se denominan genéricamente facilitadores térmicos. Aunque los catalizadores se describen típicamente en el presente documento, en algunas realizaciones, se utilizan sorbentes y/o electrocatalizadores además o en lugar de catalizadores. La invención emplea medios microfibrosos hechos de fibras de tamaño micrométrico de alta conductividad térmica para transferir calor. El medio se inserta en la zona de reacción con compresión física. Debido a la compresión y su flexibilidad, el medio toca bien la pared interna del reactor y utiliza toda la pared interna del reactor para el intercambio de calor. De manera aún más importante, la red microfibrosa metálica hecha de metales altamente conductores, donde los materiales catalíticos quedan atrapados, proporciona vías rápidas para transferir calor desde las partículas de catalizador a la pared del reactor en caso de reacción exotérmica. El fluido pasa perpendicularmente o casi perpendicularmente a través del medio microfibroso. Esta dirección de flujo permite una transferencia acelerada de calor y masa debido a la difusión en volumen. Como resultado, esta estructura de catalizador es capaz de proporcionar una velocidad de transferencia de masa mejorada, carga de catalizador de alta actividad, gran área de intercambio de calor y baja resistencia a la transferencia de calor.

La presente invención puede denominarse reactor con intercambio de calor dentro del lecho optimizado. La invención puede combinarse con los reactores con intercambio de calor externo para obtener el máximo rendimiento de intercambio de calor. En la invención, las reacciones altamente exotérmicas o altamente endotérmicas tienen lugar en las partículas de catalizador atrapadas dentro de la red microfibrosa, o las reacciones tienen lugar en la superficie de las fibras metálicas. Los catalizadores atrapados microfibrosos se cargan en los reactores para reacciones altamente exotérmicas y endotérmicas. Los catalizadores atrapados microfibrosos son flexibles; son capaces de coincidir con la forma del reactor y entrar muy bien en contacto con la pared metálica del reactor. Además, las fibras metálicas están hechas típicamente de metales altamente conductores térmicos como la plata, cinc, cobre, aluminio y otros metales. Por tanto, las fibras metálicas se comportan como un puente que transfiere el calor generado por las partículas de catalizador, donde tiene lugar la reacción, a una pared de reactor fría para reacciones altamente exotérmicas; y transferir el calor desde la pared caliente del reactor hasta las partículas de catalizador o fibras metálicas para reacciones altamente endotérmicas. La presente invención también puede aplicarse a un proceso que requiere un control fino de la temperatura o un perfil de temperatura uniforme. Debido al uso de metales altamente conductores, el medio microfibroso tiene un perfil de temperatura casi isotérmico, como se ilustra en los ejemplos siguientes.

La presente invención es capaz de trabajar con los reactores actuales con intercambio de calor externo mejorado para obtener el mejor rendimiento de intercambio de calor. Los catalizadores atrapados microfibrosos se pueden cargar en el lado del tubo o en el lado de la carcasa. Si lo hacen en el lado del tubo, el medio catalizador atrapado microfibroso puede cargarse en los tubos en forma de disco. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el medio catalizador atrapado microfibroso se puede cargar en los tubos en forma de varilla u otra forma. El diámetro del tubo puede ser mucho mayor que los de los reactores multitubulares tradicionales debido a la velocidad de intercambio de calor significativamente mejorada. Por tanto, los recuentos de piezas pueden reducirse significativamente y el reactor de fabricación para grandes escalas será mucho más barato y más fácil que el enfoque tradicional de reactor multitubular. De manera similar, el catalizador atrapado microfibroso metálico también se puede cargar en el lado de la carcasa en forma de discos. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el catalizador atrapado microfibroso metálico se puede cargar en el lado de la carcasa en forma de gránulos, rodillos y otras formas.

Con el fin de mantener el contacto optimizado entre el medio microfibroso y facilitar la carga/subida en/desde el reactor, se inventa un conjunto de medios microfibrosos. Incluye estructuras de soporte (por ejemplo, placas y pantallas) y el medio microfibroso intermedio. Las estructuras de soporte integran muchas piezas diminutas de medio microfibroso en un solo artículo, que es fácil de cargar o descargar. Las estructuras sostienen y comprimen el medio, haciéndolo distribuido uniformemente y comprimido dentro del reactor y bien adherido a la pared del reactor. En algunos casos, la estructura soportada también ayuda a dispersar e incluso a absorber la fuerza en todo el lecho de medio microfibroso debido a la caída de presión.

Es un objeto de la presente invención proporcionar una transferencia de calor superior desde/hacia corrientes gaseosas o líquidas. Para este objeto, se utilizan fibras metálicas altamente conductoras para preparar catalizadores atrapados microfibrosos. Estas fibras están hechas de metal o aleaciones metálicas con altas conductividades térmicas, como el cobre, plata, aluminio, níquel y sus aleaciones. Para condiciones particulares que impliquen corrosión, se utilizará fibra de tamaño micrométrico de metales especiales o aleaciones metálicas (por ejemplo, acero inoxidable) con menor conductividad térmica. El contenido de volumen de fibra se puede adaptar para lograr el rendimiento óptimo de transferencia de calor, así como la actividad catalítica, integridad de la estructura microfibrosa, caída de presión y otras características.

Los medios microfibrosos se forman a partir de fibras, teniendo tales fibras generalmente un diámetro de al menos 1 micrómetro, teniendo las fibras un diámetro que no exceda de 30 micrómetros. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, se pueden utilizar diámetros menores o mayores. Una fracción volumétrica de fibra típica está en el intervalo del 1-10 % en volumen. También se pueden lograr fracciones de mayor volumen para mejorar la transferencia de calor para casos especiales.

Los materiales catalíticos activos pueden ser partículas de catalizador, o red microfibrosa hecha de metales especiales, o revestimiento en la red microfibrosa. Las partículas de catalizador están en forma de granos, gránulos, materiales extrudidos, anillos, combinaciones de los mismos u otras formas. El tamaño de partícula típico está en el intervalo de 10 micrómetros a 300 micrómetros (0,3 milímetros), aunque también se pueden usar partículas más pequeñas o más grandes. Una fracción volumétrica de partículas típica está en el intervalo de 0~20 % en volumen. Sin embargo, también se pueden utilizar fracciones de volumen de partículas superior.

Debe entenderse que los catalizadores atrapados microfibrosos pueden estar compuestos por un tipo de fibra o pueden estar compuestos por dos o más fibras diferentes y las fibras metálicas pueden tener un solo diámetro o pueden tener diferentes diámetros. Además, las fibras pueden revestirse con una película fina de catalizador por lo que el soporte de malla se reviste con catalizador además de tener fibras o partículas de catalizador retenidas en los intersticios del soporte de malla.

Es un objeto de la invención proporcionar una velocidad de reacción, si no mayor que, comparable a la de un lecho de relleno tradicional hecho de gránulos o materiales extrudidos. En la presente invención, las pequeñas partículas de catalizadores (10 ~ 300 micrómetros) quedan atrapadas en la red microfibrosa metálica. Estas partículas son demasiado pequeñas para llenar un lecho de relleno tradicional. Debido a la alta área de superficie externa y la difusión de poros minimizada lograda en tamaños de partículas pequeños, los catalizadores atrapados microfibrosos pueden alcanzar una velocidad de reacción volumétrica que es ligeramente mayor que un lecho de relleno tradicional, como se muestra en los ejemplos siguientes.

La presente invención proporciona una plataforma general para atrapar varios catalizadores para diferentes reacciones. Es un objeto de esta invención proporcionar una estructura de soporte microfibrosa para retener y atrapar materiales particulados o fibrosos que son químicamente reactivos con un reactivo predeterminado. Los catalizadores atrapados microfibrosos pueden formarse inicialmente produciendo un medio microfibroso que tiene un soporte de catalizador retenido en sus intersticios, seguido de la impregnación del soporte retenido con un catalizador apropiado. Como alternativa, el medio microfibroso se puede producir con partículas de catalizador soportadas o no soportadas en la red microfibrosa. Además, los catalizadores atrapados microfibrosos también pueden producirse en los que las partículas retenidas en ellos son precursores del catalizador, precursores que se convierten posteriormente en un catalizador activo. Como otro ejemplo alternativo, el catalizador atrapado microfibroso puede formarse inicialmente y el catalizador o precursores del catalizador insertarse en los intersticios de la red microfibrosa después de la formación de la red.

Los catalizadores atrapados microfibrosos con partículas o fibras retenidas en sus intersticios se producen preferiblemente mediante un procedimiento del tipo descrito en las Patentes de EE.UU. 5.304.330; 5.080.963; 5.102.745; o 5.096.663, y las solicitudes de patente de EE.UU. 20020068026 y 20050169820. Se pueden usar equipos y técnicas tradicionales de fabricación de papel de alta velocidad y bajo coste para preparar el material compuesto. En tal proceso, metal de diámetro de tamaño micrométrico, polímero, vidrio, fibras cerámicas u otras fibras en una variedad de composiciones y aleaciones se pueden suspender en una suspensión acuosa (junto con aglutinantes opcionales, si es necesario) y con el posible uso de fibras de celulosa y otros reactivos seleccionados o partículas de soporte tales como, pero sin limitación, partículas de soporte de alúmina. La mezcla resultante puede luego moldearse en una hoja preformada usando un proceso de colocación en húmedo y secarse para crear una hoja de material preformado. Cuando se utilice un aglutinante soluble en agua en esta preparación, el secado puede ser suficiente para fusionar las fibras en sus uniones, pero en el caso de las preformas que utilizan celulosa, se puede emplear una preoxidación posterior en un flujo de O2 a aproximadamente 500 °C generalmente durante aproximadamente una hora para eliminar la mayor parte de la celulosa. La sinterización posterior de la preforma en el flujo de H2 a una temperatura elevada (700~900 °C, dependiendo del tipo de fibra) durante aproximadamente treinta minutos permite la eliminación del aglutinante celulósico restante/formador de poros y atrapa las partículas de soporte seleccionadas dentro de una red bloqueada por sinterización de metal, fibras de vidrio o de cerámica.

La Figura 1 muestra un tipo de medio microfibroso hecho de cobre para reacciones altamente exotérmicas y altamente endotérmicas. La Figura 2 describe un ejemplo de un conjunto de medios microfibrosos para facilitar el relleno y vaciado.

La Figura 3 muestra la reactividad del uso de pequeñas partículas en una red microfibrosa para la síntesis de Fischer-Tropsch. La reacción de la síntesis de Fischer-Tropsch (FTS) está controlada por difusión de poros. Las pequeñas partículas de 100-200 micrómetros de tamaño demostraron un factor de efectividad de aproximadamente 1. El factor de efectividad de los materiales extrudidos de 3/16" ampliamente utilizados en FTS es de aproximadamente 0,2. Considerando que la fracción de catalizador del catalizador atrapado microfibroso es de alrededor de 0,15, y la fracción volumétrica de partículas de catalizador es de alrededor de 0,6, la carga de catalizador en el lecho de relleno es 4 veces mayor que la del catalizador atrapado microfibroso. Como resultado, la velocidad de reacción en el catalizador atrapado microfibroso será 1,25 veces mayor que en el lecho de relleno típico. De manera similar, si una reacción está controlada por transferencia de masa externa, el catalizador atrapado microfibroso proporcionará una velocidad de reacción incluso más alta que los lechos de relleno típicos debido a la gran superficie externa y la rápida velocidad de transferencia de masa externa. Estos resultados sugieren que el uso de catalizador atrapado microfibroso no dañará la velocidad de reacción incluso si la carga volumétrica del catalizador activo en el catalizador atrapado microfibroso es sólo % de la de un lecho de relleno típico. Esto resulta del uso de partículas de pequeño tamaño, que tienen una alta superficie externa y un alto factor de efectividad.

La Figura 4 demuestra la conductividad térmica medida de varios medios microfibrosos de acero inoxidable con varias fracciones volumétricas de microfibras. El resultado indica que la conductividad térmica del medio microfibroso es igual al producto de la conductividad térmica del acero inoxidable a granel y la fracción de volumen de las fibras de acero inoxidable. El resultado sugiere que la conductividad térmica del catalizador atrapado microfibroso que contiene microfibras y partículas de catalizador se puede calcular utilizando un promedio ponderado volumétrico.

La Figura 5 ilustra un aparato de prueba para verificar experimentalmente la mejora en la conductividad térmica del uso de catalizadores atrapados microfibrosos. Incluye principalmente un tubo de acero inoxidable y un baño de agua. El tubo tenía un diámetro interior de 1,4 pulgadas y la longitud es de 8 pulgadas. Dentro del tubo, se cargó un lecho fijo de material de prueba en el centro del tubo. Varios termopares delgados fueron enterrados dentro del lecho fijo. Ambos extremos del tubo estaban sellados herméticamente, evitando que el agua entre en contacto con los materiales de prueba. Solo una corriente de N2 puede entrar en el tubo. El baño de agua se mantuvo a ~92 °C.

Un lecho de relleno de partículas de AhO3 (malla 60-80) y una capa de microfibras de cobre atrapada en AhO3 (malla 60-80) se compararon para el rendimiento de transferencia de calor tanto en estado estable como en estado transitorio. La unidad de longitud "pulgada" es igual a 0,0254 "metros" (unidad SI). El lecho de relleno tenía 0,0508 m (2 pulgadas) de largo y una capacidad térmica de 10,8 J/K pulgada de lecho. El catalizador atrapado microfibroso contenía un 5 % en volumen de fibras de cobre y un 20 % de alúmina. La capa de catalizador atrapado microfibroso también tenía 0,0508 m (2 pulgadas) de largo y su capacidad térmica es de 10,9 J/K pulgada de lecho. Los dos lechos fijos tienen casi la misma capacidad térmica, por tanto, todas las diferencias en los cambios de temperatura durante la prueba serán el resultado de la diferencia en su conductividad térmica. También se evaluaron otros lechos de relleno hechos de una mezcla de polvo de cobre (malla 60-80) y las partículas de AhO3 y lechos de medio microfibroso hechos de fibra de Ni y fibras de acero inoxidable.

Se llevaron a cabo dos conjuntos de experimentos usando este aparato de prueba. El primer conjunto de experimentos se llevó a cabo para la evaluación del estado transitorio. Durante las pruebas, el tubo de prueba se sumergió en el baño de agua en el tiempo 0, y las temperaturas leídas por el termopar en el punto "1" se registraron cada minuto. Los perfiles de temperatura y tiempo de los lechos de relleno y los lechos microfibrosos se muestran en la Figura 6. Está claro que el catalizador atrapado microfibroso de cobre alcanzó los 90 °C en aproximadamente 2 minutos. Sin embargo, el lecho de relleno tardó más de 18 minutos en alcanzar la misma temperatura. Dado que los dos lechos tenían casi la misma capacidad térmica, la diferencia significativa sugiere que el catalizador atrapado microfibroso de cobre tiene una conductividad térmica mucho más alta que el lecho de relleno de alúmina. Las conductividades térmicas efectivas estimadas de estos lechos fijos se muestran en la Figura 7. El medio microfibroso de cobre demostró una conductividad térmica de -10 W/K-m, que es 47 veces mayor que la del lecho de relleno de partículas, incluido el lecho de relleno de polvos de cobre. El medio hecho de fibras de acero inoxidable, que tiene una conductividad térmica mucho menor en comparación con la fibra de cobre, también demostró una conductividad térmica 17 veces mayor que la de los lechos de relleno.

El segundo conjunto de experimentos evalúa el rendimiento de los dos lechos en estado estable. Durante los experimentos, el tubo con lecho fijo cargado se sumergió en el baño de agua. Un flujo de N2 a 18 SLPM se hizo pasar a través del reactor. Las temperaturas leídas por un termopar diferente alcanzaron un estado estable en aproximadamente 30 minutos. Luego se registraron las temperaturas cada 30 minutos durante 2 horas. La temperatura en la línea central de los lechos fijos se muestra en la Figura 8. Está claro que la temperatura del gas aumentó muy rápidamente desde 40 °C en la entrada hasta cerca de la temperatura del lote de agua de 80 °C en el punto central (x/l = 0,5) del lecho microfibroso. El aumento de temperatura en el caso del lecho de relleno de AhO3 es de solo 4 °C. El aumento de temperatura del catalizador atrapado microfibroso es 10 veces mayor que el del lecho de relleno. Esto sugiere que el catalizador atrapado microfibroso metálico tiene un alto coeficiente de transferencia de calor para transferir el calor de la pared del reactor hasta la corriente que fluye a través del reactor. El coeficiente de transferencia de calor promedio del catalizador atrapado microfibroso es aproximadamente 10 veces mayor que el del lecho de relleno. Esto beneficiará significativamente a las reacciones altamente endotérmicas, en las que se requiere transferir una gran cantidad de calor al lecho, especialmente el centro, para sostener la reacción. Los catalizadores atrapados microfibrosos también se beneficiarán de reacciones altamente exotérmicas, en las que es necesario eliminar una gran cantidad de calor del lecho, especialmente el centro, para mantener las reacciones bajo control.

Un lecho de relleno hecho del catalizador de Co/AhO3 y el medio de microfibras con el mismo catalizador atrapado se evaluaron para la síntesis de Fischer-Tropsch en un reactor de acero inoxidable de %" (15 mm de di). Las condiciones experimentales se enumeran en la Tabla 1. Ambos lechos tenían un volumen de 15,7 cc y contenían 2,5 g de catalizador (20 % en volumen de carga de catalizador). El lecho de relleno fue diluido por partículas de AhO3. El perfil de temperatura de la línea central se midió con un termopar multipunto y se muestra en la Tabla 2. El experimento del lecho de relleno se llevó a cabo a 225 °C y logró una conversión de CO de 0,54. Para mantener la misma conversión, la temperatura de la pared del reactor del lecho del medio de microfibras tuvo que mantenerse a 235 °C. Las temperaturas de la línea central del lecho de relleno fueron de 3 a 6 veces más altas que las temperaturas en el lecho del medio microfibroso. El lecho del medio microfibroso alcanzó un gradiente de temperatura máximo de 2,1 °C. Si se tiene en cuenta la transferencia de calor a través de termopares, el gradiente de temperatura real dentro del lecho de relleno es mayor que los resultados medidos. Para un reactor FTS de mayor diámetro, es decir, 0,0508 m (2 pulgadas), el gradiente de temperatura será superior a 30 °C en el lecho de relleno, 10 °C en el lecho del medio microfibroso, según una estimación conservadora. El perfil de temperatura uniforme en un lecho microfibroso proporcionará una selectividad mejorada al producto deseado. Si 30 °C es tolerable, entonces, el lecho microfibroso puede tener un diámetro mayor, reduciendo así significativamente el número de tubos necesarios para alcanzar la misma productividad. Además, el lecho del medio microfibroso solo utiliza 1/4 de catalizador cargado en un lecho de relleno típico, como se discutió anteriormente. Como resultado, el coste de construcción del reactor se reducirá significativamente debido al menor número de piezas y la menor carga de catalizador.

Tabla 1. P rfil m r r l l r l r r FT n n n r i n n l o de 0,54.

Tabla 2. Perfiles de tem eratura dentro del reactor FTS.

Para utilizar el medio microfibroso, el medio microfibroso se utiliza en una implementación deseada, como un contenedor para un proceso de sorción, un contenedor para un proceso de reacción catalítica, un componente en un intercambiador de calor de alta eficiencia, un disipador térmico o un modulador térmico de cambio de fase, parte de un reactor electroquímico o una mezcla estática. Dependiendo de la implementación, el medio microfibroso se utiliza en consecuencia. Es común para las implementaciones, la conductividad térmica mejorada y la transferencia de calor.

En funcionamiento, el medio microfibroso mejora las características de transferencia de calor dentro del lecho. Los catalizadores atrapados microfibrosos tienen una conductividad térmica mucho más alta y un coeficiente de transferencia de calor más alto que un lecho de relleno tradicional debido al uso de fibras metálicas de tamaño micrométrico altamente conductoras y al contacto con la pared mejorado. Dado que el medio microfibroso atrapa partículas finas de catalizador, los catalizadores atrapados microfibrosos tienen una velocidad de reacción similar con una carga de catalizador mucho menor que el lecho de relleno tradicional. Al cambiar el catalizador atrapado activo, el medio microfibroso se puede aplicar a diferentes reacciones/procesos altamente exotérmicos y altamente endotérmicos, y reacciones/procesos que utilizan un control de temperatura fino o un perfil de temperatura uniforme.

En el presente documento se describen algunas realizaciones de la invención.

En algunas realizaciones, un relleno interno que mejora el transporte externo dentro o fuera de un recipiente. El relleno promueve la transferencia de calor. El relleno promueve la conducción eléctrica. El relleno es maleable para promover un buen contacto interno con el mismo y con las paredes internas del recipiente. El recipiente está sellado. El recipiente es un diseño de flujo continuo, o se abre periódicamente, se cierra, o el flujo es variable en caudal o dirección. El recipiente es tubular, rectangular o cónico. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el recipiente puede tener alguna otra descripción transversal o factor de forma. El recipiente sirve como recipiente para un proceso de sorción. El recipiente sirve como recipiente para un proceso de reacción catalítica. El recipiente sirve como componente en un intercambiador de calor de alta eficiencia. El recipiente sirve como disipador térmico o moderador térmico de cambio de fase. El recipiente es parte de un reactor electroquímico. El recipiente sirve como mezclador estático. El relleno incluye fibras de alta conductividad térmica. El relleno incluye fibras con alta conductividad eléctrica. Las fibras se utilizan para inmovilizar un sorbente. Las fibras se utilizan para inmovilizar un catalizador. Las fibras se utilizan para inmovilizar un electrocatalizador. Las fibras se utilizan para infiltrar un medio de cambio de fase. Las fibras se fusionan en sus uniones para promover la transferencia de calor o la conducción eléctrica. Las dimensiones de las fibras y la fase inmovilizada se eligen para minimizar la caída de presión. Las dimensiones de las fibras y la fase inmovilizada se eligen para promover altos niveles de reactividad volumétrica. El diámetro y la composición de las fibras se seleccionan para promover altos niveles de transferencia de calor en la pared interior del recipiente. El diámetro y la composición de las fibras se seleccionan para promover altos niveles de conducción eléctrica y baja resistencia al contacto en la pared interior del recipiente. La orientación del relleno se selecciona para promover la transferencia de calor o la conducción eléctrica en una dirección específica. Las fracciones de volumen del auxiliar de la conducción y la fase inmovilizada son ajustables en amplios intervalos. Las fibras son de diferentes diámetros. El relleno y la fase atrapada se clasifican espacialmente. El diámetro, la carga de volumen y la composición de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para promover la velocidad de reacción y/o sorción por unidad de caída de presión. El diámetro, la carga de volumen y la composición de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para minimizar el gradiente de temperatura dentro del recipiente de reacción y/o sorción a un nivel especificado de reactividad volumétrica. El diámetro de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para promover la velocidad de reacción electroquímica por unidad de resistencia eléctrica. El diámetro, la carga de volumen y la composición de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para minimizar la resistencia eléctrica dentro del recipiente a un nivel específico de reactividad volumétrica. El medio en el recipiente en contacto con el relleno es un gas. El medio en el recipiente en contacto con el relleno es un líquido. El medio en el recipiente en contacto con el relleno es una mezcla de dos fases de líquido y gas. El medio en el recipiente en contacto con el relleno sufre un cambio de fase. El proceso que ocurre es exotérmico o endotérmico. La velocidad del proceso que ocurre en el recipiente depende de la temperatura. La selectividad del proceso que ocurre en el recipiente depende de la temperatura. El relleno interno ayuda a eliminar las exotermias o endotermias asociadas con la sorción, la desorción o la reacción catalítica o electroquímica en estado estacionario. El relleno ayuda a eliminar el calor y reducir las excursiones térmicas asociadas con las reacciones heterogéneas en estado no estacionario, como la regeneración del catalizador, calcinaciones, oxidaciones y autorreducciones. El número de Reynold dentro del relleno es bajo y se encuentra en un régimen de flujo no turbulento. El número de Reynold dentro del relleno es alto y se encuentra en un régimen de flujo turbulento.

La fracción de volumen de catalizador, sorbente o electrocatalizador es más elevada que la que se puede lograr en un reactor de lecho fijo de lecho de relleno o de diseño monolítico. El nivel de reacción y transferencia de calor son similares a los de un reactor de lecho fluido pero en ausencia de retromezclado. La posición de la fase reactiva sólida inmovilizada no depende de la orientación gravitacional o la velocidad del fluido frente a las fuerzas de arrastre de las partículas. La fracción de volumen y el diámetro de las fibras se seleccionan para atrapar sólidos de un tamaño de partícula seleccionado. El recipiente permite niveles más altos de conversión química por pasada o por ciclo. El recipiente permite niveles más altos de conversión química por pasada con el gradiente de temperatura más bajo posible dentro del relleno interno. El relleno se apila sobre un aparato de montaje para facilitar el relleno, vaciado o mantenimiento del recipiente. Se utilizan capas mecánicas inertes intermedias para mantener el relleno maleable en una fracción de volumen y una carga mecánica seleccionadas. Las capas del material de relleno se apilan en un orden específico para promover la integración y la intensificación del proceso. El perfil y los patrones de corte dentro de las capas se seleccionan para promover el contacto del fluido, la mezcla y el movimiento de fluido prescrito dentro del relleno interno. La estructura del aparato se utiliza para montar varios sensores como termopares, sensores químicos, sensores de flujo, sensores de presión y otros sensores. La salida de los sensores se utiliza para controlar el proceso para promover: economía, seguridad, cumplimiento medioambiental y rendimiento del proceso por unidad de: volumen, masa o energía. Un aparato incluye múltiples recipientes dentro de un colector común y funciona de manera similar a un intercambiador de calor de "tubo" y carcasa. Los recipientes no son tubulares pero se adhieren a los factores de forma especificados. El calor se transfiere de modo cocorriente. El calor se transfiere de modo contracorriente. El número de recipientes individuales se reduce (a un volumen constante del medio atrapado) haciendo que cada recipiente sea más grande y manteniendo un control térmico adecuado debido a la conductividad mejorada del medio. Los recipientes individuales no están ubicados dentro de un colector común sino que funcionan individualmente. El número de recipientes se reduce significativamente porque se pueden hacer con un volumen mayor y seguir proporcionando propiedades de transferencia de calor adecuadas a un nivel fijo de rendimiento de procesamiento químico. Los recipientes se acortan en la dirección del flujo axial porque el calor se transfiere de manera más eficaz y se producen reacciones limitadas por equilibrio sensibles a la temperatura en un grado mayor y más deseable. Los atributos de rendimiento y las composiciones del catalizador, electrocatalizador o sorbente se seleccionan específicamente de una manera no obvia para aprovechar las propiedades de transporte mejoradas y la temperatura de funcionamiento dentro del medio específicas para el proceso y la red de ensamblaje de los recipientes.

En algunas realizaciones, un reactor microfibroso para reacciones/procesos altamente exotérmicos y altamente endotérmicos comprende un tubo de reactor de relleno con medio microfibroso hecho de fibras de tamaño micrométrico altamente conductivas térmicas o conjuntos hechos de medios microfibrosos. Un fluido pasa perpendicularmente o casi perpendicularmente a través del medio microfibroso dentro del reactor. El medio microfibroso termoconductor transfiere el calor del fluido a la pared del reactor para reacciones/procesos exotérmicos, y desde la pared del reactor al fluido para reacciones/procesos endotérmicos. El tubo del reactor está hecho de metal y otros materiales conductores térmicos, que pueden ser, aunque sin limitación, metales, aleaciones de metales, C, Si, SiC. El medio microfibroso comprende aproximadamente 1~25 % en volumen de fibras de tamaño micrométrico y 0~60 % en volumen de catalizador o materiales sorbentes/adsorbentes. Las fibras de tamaño micrométrico son fibras hechas de metal con altas conductividades térmicas. Estos metales pueden ser, aunque sin limitación, plata, cobre, aluminio, níquel, hierro, titanio, cromo y aleaciones metálicas de estos metales. Las fibras de tamaño micrométrico son fibras hechas de materiales no metálicos con altas conductividades térmicas. Estos materiales pueden ser, aunque sin limitación, C, Si y SiC. Las fibras de tamaño micrométrico tienen un diámetro medio de 1 a 30 micrómetros. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, también se pueden utilizar fibras con diámetros mayores. Los materiales catalíticos son partículas de catalizador atrapadas, capas de revestimiento activas sobre las fibras de tamaño micrométrico y/o las áreas superficiales activas de las propias fibras metálicas. Los materiales sorbentes/adsorbentes son partículas de sorbente/adsorbente atrapadas, capas de revestimiento activo sobre las fibras de tamaño micrométrico y/o las propias fibras metálicas. Las partículas de catalizador y las partículas de sorbente/adsorbente tienen un diámetro medio de 10-300 micrómetros, aunque también pueden usarse partículas más pequeñas o más grandes. Las partículas de catalizador y las partículas de sorbente/adsorbente están en forma de polvo, granos, gránulos, materiales extrudidos, anillos o combinaciones de los mismos. El medio microfibroso tiene la forma de una pila (o pilas) de discos en reactores de dirección de flujo axial, de manera que la dirección de flujo es perpendicular o casi perpendicular a las capas de catalizador atrapado microfibroso. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el medio microfibroso puede estar en forma de rodillos en los reactores de dirección de flujo radial de modo que la dirección de flujo sea perpendicular o casi perpendicular a las capas de catalizador atrapado microfibroso. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el medio microfibroso puede tener la forma de otras formas, como esferas, gránulos delicados y otras estructuras tridimensionales complejas, o se pueden usar también varias combinaciones de los mismos. El ensamblaje de medios microfibrosos incluye medios microfibrosos en varias formas y estructuras de soporte. Las estructuras de soporte sostienen y comprimen los medios microfibrosos para unir la pared del reactor y facilitan la carga de los medios microfibrosos en el reactor y la descarga de los medios fuera del reactor, especialmente cuando el reactor es largo. Los reactores de relleno de catalizadores atrapados microfibrosos proporcionan un medio mejorado de transferencia de calor para reacciones/procesos altamente exotérmicos y altamente endotérmicos, y reacciones/procesos que necesitan un control de temperatura fino y un perfil de temperatura uniforme. Los catalizadores atrapados microfibrosos transfieren calor (generado/ o consumido) desde la zona de reacción/catalizador hasta la pared exterior (en, por ejemplo, un reactor tubular), donde

se emplean otros fluidos o medidas de transferencia de calor para eliminar/añadir el calor requerido con el fin de mantener una temperatura óptima del reactor y un perfil de temperatura para aplicaciones de reactividad altamente selectivas y/o de alto volumen. Los catalizadores atrapados microfibrosos transfieren calor hacia/desde la zona de reacción, donde tienen lugar reacciones endotérmicas/exotérmicas. Las reacciones/procesos exotérmicos incluyen, aunque sin limitación, síntesis de Fischer-Tropsch para hidrocarburos, metanización, formación de metanol y síntesis de otros alcoholes que usan monóxido de carbono e hidrógeno, procesos de gas a líquido (GTL), de carbón a líquido (CTL), procesos de biomasa a líquido (BTL), reacciones de oxidación parcial de hidrocarburos, síntesis de amoniaco, adsorción, compresión de aire, y otros. Las reacciones/procesos endotérmicos incluyen, aunque sin limitación, reformado con vapor y descomposición de amoniaco, refrigeración de reactores y otros. Las reacciones/procesos incluyen reacciones/procesos tanto homogéneos como heterogéneos. El fluido puede ser gaseoso y/o líquido. El material catalizador estructurado donde la carga volumétrica de catalizador o fibra metálica, o ambos, se clasifica espacialmente a través de la sección transversal u otro sistema de coordenadas definitorias para ajustar de manera óptima el transporte de calor a través de las fibras frente a la generación/eliminación de calor en la superficie del catalizador. El catalizador estructurado en el que la dureza de la fibra, compresibilidad del medio, diámetro de la fibra, u otros medios físicos, se eligen para aumentar el número de contactos de fibra en la pared interior del reactor, aumentando así el coeficiente crítico de transferencia de calor de la pared interior. Una estructura reactiva heterogénea en la que el catalizador se reemplaza por un adsorbente o absorbente químico que también se usa para un proceso de separación química endotérmica o exotérmica. Un reactivo químico atrapado en fibras metálicas que se consume o produce durante el transcurso de la reacción, se acomoda dentro de una matriz de fibras metálicas conductoras para lograr las temperaturas apropiadas y deseadas durante el transcurso de la reacción química. Un proceso de diseño de reactor general y un reactor en el que la relación de materiales y reacciones que generan/eliminan calor se equilibran con la inclusión y distribución de fibras metálicas conductoras para optimizar y mejorar el rendimiento general del proceso. El proceso de diseño del reactor en el que el objetivo de la optimización puede incluir uno o más de los siguientes: coste operativo anualizado más bajo, conversión de una sola pasada más elevada, mayor selectividad para un producto deseado, selectividad más baja para un producto no deseado, reactor más pequeño y/o más ligero, el equilibrio de la planta más pequeño y ligero (incluida la suma de otras unidades de proceso y operaciones unitarias) para un diagrama de flujo de proceso más complejo que está impulsado tanto por el rendimiento del reactor en sí como por otras separaciones necesarias, corrientes de reciclado, especificaciones del producto y otros. Un material reactivo estructurado en el que el número de tubos de reactor individuales puede reducirse significativamente porque pueden hacerse de mayor diámetro (y seguir manteniendo un control de temperatura apropiado) debido a la presencia de las fibras conductoras. El material estructurado en el que las fibras metálicas se reemplazan por otras fibras de alta conductividad térmica que incluyen:

diamante policristalino, grafitos, fibras revestidas de diamante, carburos de silicio, zafiro y otros polímeros, inorgánicos o materiales compuestos y sus revestimientos. Una metodología generalizada de control mejorado del proceso de reacción química que se logra mediante uno o más sensores de temperatura, o sensores de composición de reactivo/producto químico que están integrados en una estructura reactiva y que pueden utilizar un control de proceso de retroalimentación optimizado para lograr y realizar diversos objetivos de optimización de procesos.

En algunas realizaciones, un relleno interno que mejora el transporte externo fuera (o dentro) de un recipiente comprende medios microfibrosos hechos de fibras de tamaño micrométrico altamente conductivas o conjuntos hechos de medios microfibrosos para reacciones/procesos exotérmicos (o endotérmicos). Un fluido pasa perpendicularmente o casi perpendicularmente a través del relleno interno dentro del recipiente. El relleno promueve la transferencia de calor. El relleno promueve la conducción eléctrica. El relleno es maleable para promover un buen contacto interno con el mismo y con las paredes internas del recipiente. El recipiente está sellado. El recipiente es un diseño de flujo continuo, o se abre periódicamente, se cierra, o el flujo es variable en caudal o dirección. El recipiente es tubular, rectangular o cónico. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el recipiente tiene alguna otra descripción de sección transversal o factor de forma. El recipiente sirve como recipiente para un proceso de sorción. El recipiente sirve como recipiente para un proceso de reacción catalítica. El recipiente sirve como componente en un intercambiador de calor de alta eficiencia. El recipiente sirve como disipador térmico o moderador térmico de cambio de fase. El recipiente es parte de un reactor electroquímico. El recipiente sirve como mezclador estático. El recipiente está hecho de metal y otros materiales conductores térmicos, que pueden ser, aunque sin limitación, metales, aleaciones de metales, C, Si, SiC y otras cerámicas. El medio microfibroso comprende aproximadamente 1-25 % en volumen de fibras de tamaño micrométrico y 0-60 % en volumen de catalizador o materiales sorbentes/adsorbentes como fase inmovilizada. El relleno y la fase atrapada se clasifican espacialmente. Las fibras de tamaño micrométrico son fibras hechas de metal con altas conductividades térmicas. Estos metales pueden ser, aunque sin limitación, plata, cobre, aluminio, níquel, hierro, titanio, cromo y aleaciones metálicas de estos metales.

Las fibras hechas de materiales no metálicos con altas conductividades térmicas. Estos materiales pueden ser, aunque no de forma limitativa C, Si, SiC, nitruro de aluminio y nitruro de boro. Las fibras de tamaño micrométrico son fibras con alta conductividad eléctrica. Las fibras de tamaño micrométrico tienen un diámetro medio de 1 a 30 micrómetros. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, también se pueden utilizar fibras con diámetros mayores. Las fibras de tamaño micrométrico tienen diferentes diámetros. Las fibras se fusionan en sus uniones para promover la transferencia de calor o la conducción eléctrica. Los materiales catalíticos incluyen partículas de catalizador atrapadas, capas de revestimiento activas sobre las fibras de tamaño micrométrico y/o las áreas superficiales activas de las propias fibras metálicas. Los materiales sorbentes/adsorbentes incluyen partículas sorbentes/adsorbentes atrapadas, capas de revestimiento activo sobre las fibras de tamaño micrométrico y/o las propias fibras metálicas. Las partículas del catalizador y las partículas de sorbente/adsorbente tienen un diámetro medio de 10-300 micrómetros, aunque también pueden usarse partículas más pequeñas o más grandes. Las partículas de catalizador y las partículas de sorbente/adsorbente están en forma de polvo, granos, gránulos, materiales extrudidos, anillos o combinaciones de los mismos. Las fibras se utilizan para inmovilizar un sorbente. Las fibras se utilizan para inmovilizar un catalizador. Las fibras se utilizan para inmovilizar un electrocatalizador. Las fibras se utilizan para infiltrar un medio de cambio de fase. Las fibras y los medios microfibrosos se utilizan para transferir calor entre el fluido y la pared del recipiente por conducción. Las fibras y los medios microfibrosos se utilizan para promover la transferencia de calor entre el fluido y la pared del recipiente. Las dimensiones de las fibras y la fase inmovilizada se eligen para minimizar la caída de presión. Las dimensiones de las fibras y la fase inmovilizada se eligen para promover altos niveles de reactividad volumétrica. El diámetro y la composición de las fibras se seleccionan para promover altos niveles de transferencia de calor en la pared interior del recipiente. El diámetro y la composición de las fibras se seleccionan para promover altos niveles de conducción eléctrica y baja resistencia al contacto en la pared interior del recipiente. La orientación del relleno se selecciona para promover la transferencia de calor o la conducción eléctrica en una dirección específica. Las fracciones de volumen del auxiliar de la conducción y la fase inmovilizada son ajustables en amplios intervalos. El diámetro, la fracción de volumen y la composición de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para promover la velocidad de reacción y/o sorción por unidad de caída de presión. El diámetro, la carga de volumen y la composición de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para minimizar el gradiente de temperatura dentro del recipiente de reacción y/o sorción a un nivel especificado de reactividad volumétrica. El diámetro de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para promover la velocidad de reacción electroquímica por unidad de resistencia eléctrica. El diámetro, la carga de volumen y la composición de las fibras y la fase inmovilizada se optimizan para minimizar la resistencia eléctrica dentro del recipiente a un nivel específico de reactividad volumétrica. El medio microfibroso tiene la forma de una pila (o pilas) de discos en reactores de dirección de flujo axial, de modo que la dirección de flujo del fluido es perpendicular o casi perpendicular a las capas de catalizador atrapado microfibroso. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, el medio microfibroso puede estar en forma de rodillos en los reactores de dirección de flujo radial de modo que la dirección de flujo del fluido sea perpendicular o casi perpendicular a las capas de catalizador atrapado microfibroso. En otros ejemplos, que no entran dentro del alcance de las reivindicaciones, se pueden usar también otras formas como esferas, gránulos delicados y otras estructuras tridimensionales complejas, o varias combinaciones de los mismos. El conjunto de relleno interno incluye medios microfibrosos en varias formas apilados sobre estructuras de soporte. Las estructuras de soporte sostienen y comprimen los medios microfibrosos para unir la pared del reactor y facilitar el relleno, vaciado o mantenimiento del recipiente, especialmente cuando el recipiente es largo. El conjunto de relleno interno donde se utilizan capas mecánicas inertes intermedias para mantener el relleno maleable en una fracción de volumen y carga mecánica seleccionadas. El conjunto de relleno interno donde las capas del material de relleno se apilan en un orden específico para promover la integración y la intensificación del proceso. Las capas internas de relleno mecánico donde se seleccionan el perfil y los patrones de corte dentro de las capas para promover el contacto con el fluido, la mezcla y el movimiento de fluido prescrito dentro del relleno interno. La estructura del aparato se utiliza para montar varios sensores como termopares, sensores químicos, sensores de flujo, sensores de presión y otros sensores. La salida de los sensores se utiliza para controlar el proceso para promover: economía, seguridad, cumplimiento medioambiental y rendimiento del proceso por unidad de volumen, masa o entrada de energía. Los reactores de relleno de catalizadores atrapados microfibrosos proporcionan un medio mejorado de transferencia de calor para reacciones/procesos altamente exotérmicos y altamente endotérmicos, y reacciones/procesos que necesitan un control de temperatura fino y un perfil de temperatura uniforme. Los catalizadores atrapados microfibrosos transfieren calor (generado/ o consumido) desde la zona de reacción/catalizador hasta la pared exterior (en, por ejemplo, un reactor tubular), donde se emplean otros fluidos o medidas de transferencia de calor para eliminar/añadir el calor requerido con el fin de mantener una temperatura óptima del reactor y un perfil de temperatura para aplicaciones de reactividad altamente selectivas y/o de alto volumen. Los catalizadores atrapados microfibrosos transfieren calor hacia/desde la zona de reacción, donde tienen lugar reacciones endotérmicas/exotérmicas. La velocidad del proceso que ocurre en el recipiente depende de la temperatura. La selectividad del proceso que ocurre en el recipiente depende de la temperatura. El relleno interno ayuda a eliminar las exotermias o endotermias asociadas con la sorción, la desorción o la reacción catalítica o electroquímica en estado estacionario. El relleno ayuda a eliminar el calor y reducir las excursiones térmicas asociadas con las reacciones heterogéneas en estado no estacionario, como la regeneración del catalizador, calcinaciones, oxidaciones y autorreducciones. Las reacciones/procesos exotérmicos incluyen, aunque sin limitación, síntesis de Fischer-Tropsch para hidrocarburos, metanización, formación de metanol y síntesis de otros alcoholes que usan monóxido de carbono e hidrógeno, procesos de gas a líquido (GTL), de carbón a líquido (CTL), procesos de biomasa a líquido (BTL), reacciones de oxidación parcial de hidrocarburos, síntesis de amoniaco, adsorción, compresión de aire y otros. Las reacciones/procesos endotérmicos incluyen, aunque sin limitación, reformado con vapor y descomposición de amoniaco, refrigeración de reactores y otros. Las reacciones/procesos incluyen reacciones/procesos tanto homogéneos como heterogéneos. El fluido puede ser gas, vapor, líquido, plasma, una fase que experimenta un cambio de fase y una mezcla de múltiples fases de las fases mencionadas anteriormente. El material catalizador estructurado donde la carga volumétrica de catalizador o fibra metálica, o ambos, se clasifica espacialmente a través de la sección transversal u otro sistema de coordenadas definitorias para ajustar de manera óptima el transporte de calor a través de las fibras frente a la generación/eliminación de calor en la superficie del catalizador. El catalizador estructurado en el que la dureza de la fibra, compresibilidad del medio, diámetro de la fibra, u otros medios físicos, se eligen para aumentar el número de contactos de fibra en la pared interior del reactor, aumentando así el coeficiente crítico de transferencia de calor de la pared interior. Una estructura reactiva heterogénea en la que el catalizador se reemplaza por un adsorbente o absorbente químico que también se usa para un proceso de separación química endotérmica o exotérmica. Un reactivo químico atrapado en fibras metálicas que se consume o produce durante el transcurso de la reacción, se acomoda dentro de una matriz de fibras metálicas conductoras para lograr las temperaturas apropiadas y deseadas durante el transcurso de la reacción química. Un proceso de diseño de reactor general y un reactor en el que la relación de materiales y reacciones que generan/eliminan calor se equilibran con la inclusión y distribución de fibras metálicas conductoras para optimizar y mejorar el rendimiento general del proceso. El proceso de diseño del reactor en el que el objetivo de la optimización puede incluir uno o más de los siguientes: coste operativo anualizado más bajo, conversión de una sola pasada más elevada, mayor selectividad para un producto deseado, selectividad más baja para un producto no deseado, reactor más pequeño y/o más ligero, el equilibrio de la planta más pequeño y ligero (incluida la suma de otras unidades de proceso y operaciones unitarias) para un diagrama de flujo de proceso más complejo que está impulsado tanto por el rendimiento del reactor en sí como por otras separaciones necesarias, corrientes de reciclado, especificaciones del producto y otros. Un material reactivo estructurado en el que el número de tubos de reactor individuales puede reducirse significativamente porque pueden hacerse de mayor diámetro (y seguir manteniendo un control de temperatura apropiado) debido a la presencia de las fibras conductoras. El material estructurado en el que las fibras metálicas se reemplazan por otras fibras de alta conductividad térmica que incluyen: diamante policristalino, grafitos, fibras revestidas de diamante, carburos de silicio, zafiro y otros polímeros, inorgánicos o materiales compuestos y sus revestimientos. Una metodología generalizada de control mejorado del proceso de reacción química que se logra mediante uno o más sensores de temperatura, o sensores de composición de reactivo/producto químico que están integrados en una estructura reactiva y que pueden utilizar un control de proceso de retroalimentación optimizado para lograr y realizar diversos objetivos de optimización de procesos. El número de Reynold dentro del relleno es bajo (menos de 20) y se encuentra en un régimen de flujo no turbulento. El número de Reynold dentro del relleno es alto (superior a 1500) y se encuentra en un régimen de flujo turbulento. La fracción de volumen de catalizador, sorbente o electrocatalizador es más elevada que la que se puede lograr en un reactor de lecho fijo de lecho de relleno o de diseño monolítico. El nivel de reacción y transferencia de calor son similares a los de un reactor de lecho fluido pero en ausencia de retromezclado. La posición de la fase reactiva sólida inmovilizada no depende de la orientación gravitacional o la velocidad del fluido frente a las fuerzas de arrastre de las partículas. La fracción de volumen y el diámetro de las fibras se seleccionan para atrapar sólidos de un tamaño de partícula seleccionado. El recipiente permite niveles más altos de conversión química por pasada o por ciclo. El recipiente permite niveles más altos de conversión química por pasada con el gradiente de temperatura más bajo posible dentro del relleno interno. El relleno se apila sobre un aparato de montaje para facilitar el relleno, vaciado o mantenimiento del recipiente. Se utilizan capas mecánicas inertes intermedias para mantener el relleno maleable en una fracción de volumen y una carga mecánica seleccionadas. Las capas del material de relleno se apilan en un orden específico para promover la integración y la intensificación del proceso. El perfil y los patrones de corte dentro de las capas se seleccionan para promover el contacto del fluido, la mezcla y el movimiento de fluido prescrito dentro del relleno interno. La estructura del aparato se utiliza para montar varios sensores como termopares, sensores químicos, sensores de flujo, sensores de presión y otros sensores. La salida de los sensores se utiliza para controlar el proceso para promover: economía, seguridad, cumplimiento medioambiental y rendimiento del proceso por unidad de: volumen, masa o energía.

En algunas realizaciones, un aparato compuesto por múltiples recipientes dentro de un colector común, y operado de manera similar a un intercambiador de calor de "tubo" y carcasa. Los recipientes no son tubulares pero se adhieren a factores de forma especificados. El calor se transfiere de modo cocorriente. El calor se transfiere de modo contracorriente. El número de recipientes individuales se reduce (a un volumen constante del medio atrapado) haciendo que cada recipiente sea más grande y manteniendo un control térmico adecuado debido a la conductividad mejorada del medio. Los recipientes individuales no están ubicados dentro de un colector común sino que funcionan individualmente. El número de recipientes se reduce significativamente porque se pueden hacer con un volumen mayor y seguir proporcionando propiedades de transferencia de calor adecuadas a un nivel fijo de rendimiento de procesamiento químico. Los recipientes se acortan en la dirección del flujo axial porque el calor se transfiere de manera más eficaz y se producen reacciones limitadas por equilibrio sensibles a la temperatura en un grado mayor y más deseable. Los atributos de rendimiento y las composiciones del catalizador, electrocatalizador o sorbente se seleccionan específicamente de una manera no obvia para aprovechar las propiedades de transporte mejoradas y la temperatura de funcionamiento dentro del medio específicas para el proceso y la red de ensamblaje de los recipientes.

Aunque se ha descrito un catalizador en todas partes, también se pueden usar un sorbente, un electrocatalizador y/u otros materiales químicamente reactivos además de o en lugar de un catalizador.

Los objetos y ventajas adicionales de la invención se establecen en, o serán evidentes para los expertos en la materia a partir de la descripción detallada como sigue. Asimismo, debería apreciarse además que las modificaciones y variaciones de las características y materiales específicamente ilustrados y discutidos de la misma pueden practicarse en diversas realizaciones y usos de esta invención sin apartarse del alcance definido por las reivindicaciones. Tales variaciones pueden incluir, aunque sin limitación, sustituciones del medio equivalente, características y materiales para los mostrados o discutidos, y la inversión funcional o posicional de varias partes, características, o similares.

Aún adicionalmente, se entenderá que diferentes realizaciones, así como diferentes realizaciones actualmente preferidas, de esta invención, pueden incluir varias combinaciones o configuraciones de características, elementos, o sus equivalentes divulgados actualmente (incluidas combinaciones de características o configuraciones de los mismos que no se muestran expresamente en las figuras o se indican en la descripción detallada).

Estos y otros rasgos, aspectos y ventajas de la presente invención se volverán mejor entendidos con referencia a las siguientes descripciones y reivindicaciones adjuntas. Los dibujos adjuntos, que se incorporan y constituyen parte de esta memoria descriptiva, ilustran una realización de la invención y, junto con las descripciones, sirven para explicar los principios de la invención.

La presente invención se ha descrito en términos de realizaciones específicas que incorporan detalles para facilitar la comprensión de los principios de construcción y funcionamiento de la invención. Dicha referencia en el presente documento a realizaciones específicas y detalles de las mismas no pretende limitar el alcance de las reivindicaciones adjuntas. Será fácilmente evidente para un experto en la materia que se pueden realizar otras modificaciones diversas en la realización elegida a modo de ilustración sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema que comprende:

a. un recipiente tubular, rectangular o cónico, estando hecho el recipiente de un material termoconductor; y b. un relleno interno, contenido dentro del recipiente, para mejorar el transporte de calor dentro o fuera del recipiente, comprendiendo el relleno interno un medio microfibroso, estando hecho el medio microfibroso de fibras térmicamente conductoras, en el que las fibras térmicamente conductoras tienen un tamaño micrométrico y un diámetro medio de 1-30 micrómetros, en el que una orientación del relleno interno está configurada para promover la transferencia de calor entre un fluido y las paredes internas del recipiente usando discos de medios microfibrosos apilados en una dirección axial del recipiente, en el que el relleno interno contacta con las paredes internas del recipiente, en el que una dirección de flujo de fluido está en la dirección axial del recipiente y perpendicular o casi perpendicular a los discos de medios microfibrosos, en el que el medio microfibroso contiene un proceso inmovilizado microfibroso y un facilitador de reacciones químicas, aumentando el proceso inmovilizado microfibroso y el facilitador de reacciones químicas el transporte de calor y la conducción eléctrica; y c. estructuras de soporte para sostener y comprimir el proceso inmovilizado microfibroso y el facilitador de reacción química, en el que el medio microfibroso está entre las estructuras de soporte.

2. El sistema de la reivindicación 1, en el que el recipiente está sellado.

3. El sistema de la reivindicación 1, en el que el recipiente es un diseño de flujo continuo, abierto periódicamente, cerrado o el flujo es variable en caudal o dirección.

4. El sistema de la reivindicación 1, en el que el recipiente comprende un catalizador, un adsorbente o un electrocatalizador atrapado o inmovilizado en el recipiente por el relleno interno.