ES2864027T3 - Aparato y proceso para la producción de formaldehído - Google Patents

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Abstract

Un aparato para la producción de formaldehído, comprendiendo el aparato una sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508) que tiene una primera entrada, una primera salida y una pluralidad de tubos, cada uno de los cuales tiene un primer extremo en comunicación fluida con la primera entrada y un segundo extremo en comunicación fluida con la primera salida, estando configurada la pluralidad de tubos para contener, durante el uso, un primer catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, estando el aparato caracterizado por que el aparato comprende además una sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) que tiene una entrada y una salida en comunicación fluida con la primera entrada de la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508), estando configurada la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) para contener, durante el uso, un lecho de catalizador adiabático que comprende un segundo catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, en donde el aparato comprende un turbocompresor (626) para presurizar el gas que entra al aparato y en donde el aparato comprende un sistema de control de emisiones (630) para la combustión del gas residual de la producción del formaldehído y el turbocompresor (626) está conectado al sistema de control de emisiones (630) de manera que el turbocompresor (626) pueda ser alimentado por la energía en el gas residual que sale del sistema de control de emisiones (630).

Description

DESCRIPCIÓN
Aparato y proceso para la producción de formaldehído
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un aparato y proceso para la producción de formaldehído. Más particularmente, la invención se refiere a un aparato y proceso para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica usando un catalizador de óxido mixto tal como un catalizador de FeMo. Más particularmente, pero no exclusivamente, la invención se refiere a un aparato y proceso para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica de metanol usando un catalizador de óxido mixto tal como un catalizador de FeMo.
Antecedentes
El formaldehído se puede producir mediante la deshidrogenación oxidativa catalítica de metanol. Se conocen procesos para llevar a cabo dicha producción, por ejemplo de los documentos WO9632189 o US2504402. El catalizador normalmente comprende molibdeno y óxidos de hierro. El formaldehído también se puede producir mediante una mezcla de deshidrogenación oxidativa catalítica y deshidrogenación catalítica de metanol usando un catalizador de plata o cobre. La presente invención se refiere a la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica usando catalizadores de óxidos mixtos. La reacción para formar formaldehído a partir de metanol sobre catalizadores de óxidos mixtos es exotérmica. La reacción se puede llevar a cabo en un reactor isotérmico, normalmente un reactor tubular, en el que el calor de la reacción se elimina mediante un fluido caloportador. Se entenderá que los reactores denominados "isotérmicos" son normalmente pseudoisotérmicos en el sentido de que la temperatura varía a lo largo del reactor a pesar de la refrigeración proporcionada para eliminar el calor de la reacción. Estos reactores también pueden denominarse reactores "refrigerados". La reacción también se puede llevar a cabo en un reactor adiabático, en el que no se elimina el calor y la temperatura del contenido del reactor aumenta a medida que pasa a través del reactor. Cualquiera que sea el tipo de reactor que se utilice, con el paso del tiempo el catalizador envejece, se vuelve menos eficaz y necesita ser reemplazado. Reemplazar el catalizador en un reactor tubular puede llevar 4-5 días, tiempo durante el cual el reactor se apaga y se pierden ingresos.
La mayoría de las plantas comerciales que producen hoy formaldehído sobre catalizadores de óxidos mixtos se basan en reactores tubulares isotérmicos. El reactor tubular isotérmico se alimentaría normalmente con hasta un 11 % en volumen de metanol. Por encima de ese nivel, una escasez de oxígeno puede provocar un envejecimiento prematuro del catalizador. Los reactores tubulares pueden disponerse en serie, lo que puede permitir utilizar una alimentación de metanol más alta que con un solo reactor.
También se puede añadir un "reactor posterior" adiabático aguas abajo del reactor tubular isotérmico. Un reactor adiabático de este tipo está destinado a aumentar la conversión del metanol compensando la ineficacia del catalizador en el reactor tubular isotérmico.
Los documentos EP1707259, WO2015/121611 y US2015/086437 describen sistemas y métodos de reactores de la técnica anterior para reacciones químicas.
Las realizaciones preferidas de la presente invención buscan superar una o más de las desventajas anteriores de la técnica anterior. En particular, las realizaciones preferidas de la presente invención buscan proporcionar un aparato y un proceso mejorados para la producción de formaldehído.
Sumario de la invención
De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un aparato para la producción de formaldehído, comprendiendo el aparato una sección de reactor tubular refrigerado que tiene una primera entrada, una primera salida y una pluralidad de tubos, cada uno de los cuales tiene un primer extremo en comunicación fluida con la primera entrada y un segundo extremo en comunicación fluida con la primera salida, estando configurada la pluralidad de tubos para contener, durante el uso, un primer catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, estando caracterizado el aparato por que el aparato comprende además una sección de pre-reactor que tiene una entrada y una salida en comunicación fluida con la primera entrada de la sección de reactor tubular refrigerado, estando configurada la sección de pre-reactor para contener, durante el uso, un lecho de catalizador adiabático que comprende un segundo catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, en donde el aparato comprende un turbocompresor para presurizar el gas que entra al aparato y en donde el aparato comprende un sistema de control de emisiones para la combustión del gas residual de la producción del formaldehído y el turbocompresor está conectado al sistema de control de emisiones de manera que el turbocompresor pueda ser alimentado por la energía en los gases residuales que salen del sistema de control de emisiones.
Por tanto, la invención proporciona una sección de pre-reactor adiabático dispuesta aguas arriba de la sección de reactor tubular refrigerado. La provisión de una sección de pre-reactor adiabático es ventajosa porque puede ser significativamente más rápido reemplazar el catalizador en la sección de pre-reactor. El lecho de catalizador en la sección de pre-reactor es preferentemente un lecho de relleno de catalizador, que se puede quitar y reemplazar en unas pocas horas. Eso es mucho más rápido que el tiempo de reemplazo de 4-5 días del catalizador en los tubos del reactor tubular. El catalizador aguas arriba envejece más rápidamente. En reactores tubulares anteriores, el envejecimiento del catalizador cerca del inicio de los tubos dominaba los requisitos del ciclo de reemplazo del catalizador. En la presente invención, el catalizador en la sección de pre-reactor se puede cambiar más a menudo, con un tiempo de reemplazo corto, y el catalizador en la sección de reactor tubular se puede reemplazar a intervalos más largos. El resultado es que solo se necesitan periodos prolongados de parada para reemplazar el catalizador en los tubos en intervalos de tiempo mucho más amplios. La presencia de la sección de pre-reactor también puede reducir la carga de calor en la sección de reactor tubular refrigerado (es decir, el calor generado por la reacción en la sección de reactor tubular refrigerado, que debe retirarse en el lado de la carcasa de la sección de reactor tubular refrigerado). Por tanto, la invención permite ventajosamente mejorar las plantas existentes con secciones de reactor tubular refrigerado con tubos cortos para aumentar la capacidad. La invención también permite ventajosamente un mejor control de la temperatura en la sección de reactor tubular refrigerado. En los reactores de la técnica anterior, la temperatura del fluido caloportador necesaria para tener en cuenta los altos niveles de calor que resultan de la alta velocidad de reacción en la parte inicial de los tubos. No obstante, con una sección de pre-reactor presente, la velocidad de reacción inicial en la sección de reactor tubular refrigerado puede ser menor y el fluido caloportador puede ajustarse mejor a la generación de calor a lo largo de toda la longitud del tubo. La invención también aumenta ventajosamente los rendimientos medios durante un periodo prolongado de tiempo, por ejemplo, anualmente, debido a la capacidad de reemplazar el catalizador en la sección de pre-reactor con mayor frecuencia. En el pasado, la cantidad de tiempo requerida para una carga de catalizador puede haber llevado a un equilibrio entre la disminución del rendimiento y el coste de una parada. En la presente invención, el catalizador en la sección de reactor tubular refrigerado dura más tiempo, y el catalizador en la sección de pre-reactor puede mantenerse actualizado mediante cambios más frecuentes que se logran más rápidamente. Como resultado, se reduce el envejecimiento global del catalizador y aumenta el rendimiento medio durante un periodo de tiempo prolongado. Preferentemente, la invención permite aumentos de rendimiento promedio de hasta un 0,5 % con respecto a los sistemas de la técnica anterior y hasta un 2 % inmediatamente después de volver a cargar el catalizador en la sección de pre-reactor adiabático en comparación con los sistemas de la técnica anterior sin una recarga en ese punto.
La sección de reactor tubular refrigerado es preferentemente una sección de reactor tubular refrigerado por fluido caloportador. Preferentemente, la sección de reactor tubular refrigerado comprende además una carcasa que rodea la pluralidad de tubos y que tiene al menos una segunda entrada y al menos una segunda salida para hacer pasar fluido caloportador a través de la carcasa durante el uso. Por tanto, la sección de reactor tubular refrigerado puede ser una sección de reactor tubular que tiene una primera entrada, una primera salida y una pluralidad de tubos, cada uno de los cuales tiene un primer extremo en comunicación fluida con la primera entrada y un segundo extremo en comunicación fluida con la primera salida, estando configurada la pluralidad de tubos para contener, durante el uso, un primer catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, la sección de reactor tubular refrigerado comprende además una carcasa que rodea los tubos y está configurada para contener un medio de transferencia de calor, por ejemplo, un fluido caloportador. La sección de reactor tubular refrigerado se puede configurar de manera que, durante el uso, el medio de transferencia de calor elimina el calor generado en los tubos. Por ejemplo, el armazón puede tener al menos una segunda entrada y al menos una segunda salida para hacer pasar fluido caloportador a través de la carcasa durante el uso. Preferentemente, los tubos contienen el primer catalizador.
La sección de pre-reactor está configurada para contener, durante el uso, un lecho de catalizador adiabático. Preferentemente, la sección de pre-reactor comprende el lecho de catalizador adiabático. Preferentemente, el lecho de catalizador es un lecho de relleno que comprende el segundo catalizador. Preferentemente, el lecho de catalizador es un solo lecho. Es decir, el lecho de catalizador no es una disposición tubular sino que es un lecho de relleno de catalizador que se extiende a través de la trayectoria del flujo. En algunas realizaciones, ese lecho de catalizador puede comprender un pequeño número, por ejemplo 2 o 3 o 4 lechos en paralelo. No obstante, el lecho de catalizador no es un lecho tubular y no se prevé la eliminación de calor desde el interior del lecho de catalizador. Por tanto, se dice que el lecho de catalizador es un lecho de catalizador adiabático. Se apreciará que la velocidad de reemplazo del lecho de catalizador en comparación con un lecho tubular es importante. Por tanto, el lecho de catalizador puede disponerse de modo que no se pueda sustituir en más de 4, preferentemente 3 y más preferentemente 2 horas. Eso se puede lograr teniendo un solo lecho de relleno o un pequeño número, por ejemplo, 2 o 3 o 4, de lechos en paralelo.
El segundo catalizador puede ser el mismo que el primer catalizador o puede ser diferente del primer catalizador. Cualquiera o ambos del primer o segundo catalizador pueden comprender una mezcla, o disposición estructurada, como capas, de uno o más catalizadores. Eso puede ser ventajoso al proporcionar diferentes catalizadores en diferentes partes de los reactores para optimizar el rendimiento. Por tanto, el primer catalizador puede ser un solo catalizador o puede ser una mezcla de catalizadores. El segundo catalizador puede ser un solo catalizador o una mezcla de catalizadores. El primer o segundo catalizadores se pueden mezclar con componentes no activos tales como anillos cerámicos. El primer y segundo catalizadores son catalizadores para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica. Preferentemente, uno o ambos catalizadores son catalizadores para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica de metanol. Preferentemente, los catalizadores son catalizadores de óxidos mixtos, por ejemplo, catalizadores de FeMo.
Preferentemente, el área de la sección transversal (es decir, el área perpendicular a la dirección general del flujo) del lecho de catalizador de la sección de pre-reactor es sustancialmente la misma que el área de la sección transversal tubular de la sección de reactor tubular refrigerado (es decir, la suma de la áreas de sección transversal de los tubos). Por ejemplo, el área de la sección transversal del lecho de catalizador de la sección de pre-reactor puede estar en el intervalo del 50 % al 150 %, y preferentemente del 70 % al 130 %, del área de la sección transversal tubular de la sección de reactor tubular refrigerado. En algunas realizaciones, el aparato puede comprender una pluralidad de secciones de reactor tubular refrigerado dispuestas en paralelo con la salida de la sección de pre-reactor en comunicación con la primera entrada de cada una de las secciones de reactor tubular refrigerado. En tales realizaciones, el área de la sección transversal tubular de las secciones de reactor tubular refrigerados se entenderá como la suma de las áreas de la sección transversal de cada sección de reactor tubular refrigerado (es decir, la suma de las áreas de la sección transversal de los tubos en todas las secciones de reactor tubular paralelo).
En algunas realizaciones, la sección de pre-reactor y la sección de reactor tubular refrigerado pueden alojarse en serie en un solo recipiente. Un aparato de refrigeración, tal como bobinas de refrigeración, puede disponerse entre las secciones. Preferentemente, la sección de pre-reactor está en un recipiente separado de la sección de reactor tubular refrigerado. Por tanto, el aparato puede comprender un pre-reactor que contiene la sección de pre-reactor y un reactor tubular refrigerado que contiene la sección de reactor tubular refrigerado. Preferentemente, el aparato incluye una derivación a través del pre-reactor. De esa forma, el aparato puede funcionar con el pre-reactor aislado mientras se repone el catalizador en el pre-reactor, aumentando así aún más la productividad del aparato.
Preferentemente, el aparato incluye un intercambiador de calor conectado a la entrada y salida del pre-reactor de manera que, durante el uso, el gas que sale del pre-reactor se usa para calentar la alimentación al pre-reactor. Ventajosamente, esto enfría el gas antes de pasar al reactor tubular refrigerado y calienta la alimentación a la temperatura deseada en la entrada del pre-reactor. Preferentemente, el aparato comprende además una válvula de derivación conectada entre una entrada y una salida del intercambiador de calor de manera que una parte o la totalidad de la corriente que sale del pre-reactor se puede desviar para circunvalar el intercambiador de calor. Una válvula de derivación de este tipo puede permitir ventajosamente el control de la temperatura de la corriente que pasa a la entrada del pre-reactor. El aparato de la invención permite ventajosamente controlar la temperatura del pre-reactor ajustando la temperatura de entrada a ese reactor. Por tanto, la temperatura en el pre-reactor puede ser diferente de la temperatura en el reactor tubular, permitiendo más opciones para optimizar el proceso. La capacidad de controlar la temperatura del pre-reactor ajustando la temperatura en la entrada y la de reducir la temperatura de los gases entre la salida del pre-reactor y la entrada del reactor tubular refrigerado permite que el proceso funcione de manera más eficiente, por ejemplo, ajustando las condiciones a medida que envejece el catalizador.
Preferentemente, el aparato comprende un generador de vapor conectado a la salida de la sección de pre-reactor para generar vapor y enfriar los gases que salen de la sección de pre-reactor. Eso puede proporcionar ventajosamente gases más fríos para alimentar la sección de reactor tubular refrigerado y producir vapor útil mientras lo hace. En algunas realizaciones, el generador de vapor puede estar conectado a una salida del intercambiador de calor, de modo que una corriente que sale de la sección de pre-reactor fluya durante el uso al generador de vapor a través del intercambiador de calor. En algunas realizaciones, el generador de vapor puede conectarse directamente (es decir, sin una operación unitaria intermedia) a la salida de la sección de pre-reactor. En tales realizaciones, una salida del generador de vapor se puede conectar al intercambiador de calor, de modo que una corriente que sale del pre-reactor fluya durante el uso al intercambiador de calor a través del generador de vapor. Alternativamente, en tales realizaciones, la salida del generador de vapor puede conectarse directamente a la primera entrada de la sección de reactor tubular refrigerado.
Preferentemente, el aparato comprende una entrada de alimentación adicional conectada a la primera entrada de la sección de reactor tubular refrigerado. Por ejemplo, la entrada de alimentación adicional puede tomar la forma de una válvula en una tubería que lleva la corriente desde la sección de pre-reactor a la sección de reactor tubular refrigerado. La entrada de alimentación adicional puede usarse para añadir más metanol a la corriente de gases que sale de la sección de pre-reactor antes de que se alimenten a la sección de reactor tubular refrigerado. Eso puede ser ventajoso para permitir que se añada metanol adicional al proceso, aumentando así el flujo de producto de formaldehído que sale de la sección de reactor tubular refrigerado.
En algunas realizaciones, el aparato puede estar provisto de un intercambiador de calor conectado a la primera entrada y la primera salida de la sección de reactor tubular refrigerado de manera que el calor pueda intercambiarse entre corrientes que fluyen hacia y desde la sección de reactor tubular refrigerado. Tales disposiciones pueden hacer un uso ventajoso del calor en la corriente que sale de la sección de reactor tubular refrigerado. En tales realizaciones, la entrada de alimentación adicional puede ser una entrada de alimentación adicional al intercambiador de calor. Eso puede ser ventajoso porque el calor de la corriente que sale de la sección de reactor tubular refrigerado puede usarse para ayudar a la vaporización del metanol añadido a través de la entrada de alimentación adicional.
El aparato está provisto de un turbocompresor para presurizar el gas que entra en el aparato. El gas se presuriza antes de que se alimente a la sección de pre-reactor. Por tanto, el turbocompresor está aguas arriba de la sección de pre­ reactor. El turbocompresor funciona con la energía del gas residual de la producción del formaldehído. Los gases residuales de la producción se queman en un sistema de control de emisiones y la energía se utiliza para alimentar el turbocompresor. Por ejemplo, en algunas realizaciones el flujo volumétrico a través del aparato, que aumenta por la naturaleza exotérmica de la producción de formaldehído y/o la combustión de gases residuales, puede utilizarse para alimentar el turbocompresor. Por ejemplo, el aparato puede comprender un absorbedor u otra unidad de recuperación de formaldehído, aguas abajo de la sección de reactor tubular refrigerado y aguas abajo de los intercambiadores de calor o generadores de vapor opcionales, y un sistema de control de emisiones aguas abajo del absorbedor. Los gases que salen de la sección de reactor tubular refrigerado pueden pasar al absorbedor para recuperar el formaldehído, con el gas restante que sale del absorbedor (por ejemplo, gas residual) pasando al sistema de control de emisiones. En el sistema de control de emisiones, el gas residual preferentemente se quema, por ejemplo mediante incineración catalítica, para eliminar componentes peligrosos. El gas caliente que sale del sistema de control de emisiones puede pasar a un lado de la turbina del turbocompresor para impulsar la compresión de los gases que entran en el aparato en un lado del compresor del turbocompresor. La turbina puede alimentar el compresor directamente, por ejemplo a través de un eje, o puede alimentar el compresor indirectamente, por ejemplo, alimentando un generador, que a su vez proporciona energía eléctrica al compresor. La velocidad de la turbina puede regularse mediante una válvula de mariposa y/o una corriente de derivación. Un sistema de turbocompresor adecuado puede ser como se describe en el documento WO2007111553. El uso de un sistema de turbocompresor de este tipo es particularmente ventajoso con una sección de pre-reactor, ya que permite que la sección de pre-reactor funcione a alta presión sin incurrir en costes de compresión excesivos. Eso proporciona beneficios particulares en un sistema de acuerdo con la presente invención en el que está presente una sección de pre-reactor porque el aumento de presión aumenta el rendimiento y, por lo tanto, la producción de formaldehído. En los sistemas anteriores, esa ventaja tendría que sopesarse frente a la disminución de la vida útil del catalizador y el aumento resultante en la frecuencia de paradas para cambios de catalizador. No obstante, en la presente invención, la mayor degradación del catalizador ocurre en la sección de pre­ reactor, donde el catalizador se puede cambiar de forma más sencilla. Por tanto, las ventajas del funcionamiento a alta presión se pueden realizar sin los inconvenientes previos que la acompañan.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un proceso de producción de formaldehído, comprendiendo el proceso alimentar una corriente de alimentación que comprende metanol a una sección de pre­ reactor que funciona adiabáticamente, convertir al menos parcialmente el metanol en la corriente de alimentación en formaldehído en la sección de pre-reactor para producir una primera corriente de producto que comprende formaldehído, alimentar la primera corriente de producto a una sección de reactor tubular refrigerado, y convertir al menos parcialmente el metanol en la primera corriente de producto en formaldehído en la sección de reactor tubular refrigerado para producir una segunda corriente de producto que comprende formaldehído, en donde el gas residual del proceso se alimenta a un turbocompresor en donde se usa la energía del gas residual para comprimir un gas de alimentación al proceso. Opcionalmente, se puede añadir más metanol a la primera corriente de producto, por ejemplo, combinando la primera corriente de producto con una corriente adicional que contiene metanol, antes de alimentar la primera corriente de producto a la sección de reactor tubular refrigerado.
La sección de pre-reactor puede funcionar adiabáticamente porque no se prevé la eliminación de calor de esa sección.
Preferentemente no menos del 10 % y no más del 100 %, en algunas realizaciones no más del 95 %, del metanol en la corriente de alimentación se convierte en formaldehído en la sección de pre-reactor. Si no se añade metanol adicional a la primera corriente de producto antes de que se alimente a la sección de reactor tubular refrigerado, entonces preferentemente no más del 40 % del metanol en la corriente de alimentación se convierte en formaldehído en la sección de pre-reactor. Tal intervalo de conversión proporciona ventajosamente los beneficios de llevar a cabo la reacción inicial en una sección de pre-reactor cuyo catalizador se puede cambiar más fácilmente mientras se retienen los beneficios de eliminación de calor y la capacidad de controlar la eliminación de calor en respuesta al envejecimiento del catalizador, de la sección de reactor tubular refrigerado.
El proceso puede comprender añadir metanol a la primera corriente de producto antes de alimentarlo al reactor tubular refrigerado. Eso puede aumentar la productividad del formaldehído del proceso. Por ejemplo, se puede alimentar al proceso hasta un 30 % más de metanol a través de las dos ubicaciones de alimentación de lo que sería posible en un sistema de la técnica anterior con una única alimentación.
En algunas realizaciones, todo el metanol se puede añadir a la corriente de alimentación. Es decir, en tales realizaciones, no se añade metanol a la primera corriente de producto. Tales realizaciones pueden ser particularmente ventajosas cuando existe el riesgo de contaminantes en el metanol que podrían conducir al envenenamiento del catalizador. Los venenos normalmente afectarán al primer catalizador al que lleguen. En los sistemas de la técnica anterior, ese catalizador estaba en tubos y, por lo tanto, era difícil y costoso reemplazarlo. En la presente invención, el catalizador con mayor probabilidad de envenenamiento es el catalizador en la sección de pre-reactor, que es más sencillo de reemplazar.
Preferentemente, la sección de reactor tubular refrigerado comprende una pluralidad de tubos que contienen un primer catalizador para la deshidrogenación oxidativa de metanol a formaldehído y el proceso comprende hacer pasar la primera corriente de producto a través de los tubos para convertir al menos parcialmente el metanol de la primera corriente de producto en formaldehído. Preferentemente, la sección de reactor tubular refrigerado comprende además una carcasa que rodea la pluralidad de tubos y el proceso comprende eliminar el calor de los tubos utilizando un medio de transferencia de calor, por ejemplo un fluido caloportador, en la carcasa. Por ejemplo, el proceso comprende preferentemente hacer pasar un fluido caloportador a través de la carcasa para eliminar el calor de los tubos. Por tanto, la sección de reactor tubular refrigerado puede ser una sección de reactor tubular que tiene una pluralidad de tubos que contienen un primer catalizador para la deshidrogenación oxidativa de metanol a formaldehído, la sección de reactor tubular comprende además una carcasa que rodea los tubos y contiene un medio de transferencia de calor, por ejemplo, un fluido caloportador.
Preferentemente, la sección de pre-reactor comprende un lecho de catalizador y el proceso comprende hacer pasar la corriente de alimentación a través del lecho de catalizador para convertir al menos parcialmente el metanol en la corriente de alimentación en formaldehído. Preferentemente, el lecho de catalizador contiene un segundo catalizador para la deshidrogenación oxidativa de metanol a formaldehído. Preferentemente, el lecho de catalizador es un lecho de relleno que comprende el segundo catalizador.
El segundo catalizador puede ser el mismo que el primer catalizador o puede ser diferente del primer catalizador. Cualquiera o ambos del primer o segundo catalizador pueden comprender una mezcla, o disposición estructurada, como capas, de uno o más catalizadores. Eso puede ser ventajoso al proporcionar diferentes catalizadores en diferentes partes de los reactores para optimizar el rendimiento. Por tanto, el primer catalizador puede ser un solo catalizador o puede ser una mezcla de catalizadores. El segundo catalizador puede ser un solo catalizador o una mezcla de catalizadores. Preferentemente, el primer y segundo catalizadores son catalizadores de óxidos mixtos, tales como catalizadores de FeMo.
Preferentemente, el catalizador en la sección de pre-reactor se cambia con más frecuencia que el catalizador en la sección de reactor tubular refrigerado. Por ejemplo, el catalizador en la sección de pre-reactor se puede cambiar de 1 a 5 veces, preferentemente de 2 a 5 veces y aún más preferentemente de 2 a 3 veces, por cambio de catalizador en la sección de reactor tubular refrigerado. Preferentemente, el proceso comprende hacer funcionar el proceso durante un periodo de tiempo y reemplazar el catalizador en la sección de pre-reactor una o más veces con un lecho de catalizador nuevo durante el periodo de tiempo, en donde el catalizador en la sección de reactor tubular refrigerado no se reemplaza durante el periodo de tiempo. Preferentemente, el proceso comprende hacer funcionar el proceso, hacer funcionar una derivación para que la sección de pre-reactor esté aislada del proceso y la corriente de alimentación se alimente a la sección de reactor tubular refrigerado, reemplazar el catalizador en la sección de pre­ reactor e invertir el funcionamiento de la derivación para que la corriente de alimentación se alimente una vez más a la sección de pre-reactor. Por tanto, la sección de pre-reactor se retira del proceso para reemplazar el catalizador y luego se devuelve al proceso después de que se reemplace el catalizador. El periodo de tiempo puede ser, por ejemplo, un mes, 3 meses o preferentemente 6 meses.
El proceso comprende alimentar gas residual del proceso a un turbocompresor y usar energía en el gas residual para comprimir el gas de alimentación al proceso a través del turbocompresor. Preferentemente, el gas de alimentación es aire fresco. La corriente de alimentación que comprende metanol se crea preferentemente mezclando metanol con el gas de alimentación comprimido después de que el gas de alimentación se haya mezclado con gas pobre en oxígeno reciclado que abandona el proceso. Por tanto, el turbocompresor funciona para presurizar la corriente de alimentación que comprende metanol, dado que la presurización del gas de alimentación aumenta la presión resultante de la corriente de alimentación que comprende metanol. El turbocompresor también funciona para introducir oxígeno en el proceso mediante la introducción de aire fresco. El turbocompresor se hace funcionar preferentemente para controlar el nivel de oxígeno y la presión de la corriente de alimentación. Preferentemente, el gas residual se alimenta a un sistema de control de emisiones, donde las sustancias peligrosas se eliminan por combustión, antes de pasar al turbocompresor.
Se apreciará que las características descritas en relación con un aspecto de la invención pueden ser igualmente aplicables en otro aspecto de la invención. Por ejemplo, las características descritas en relación con el aparato de la invención, pueden ser igualmente aplicables al proceso de la invención, y viceversa. Es posible que algunas funciones no se apliquen y se excluyan de aspectos particulares de la invención.
Descripción de los dibujos
Se describirán ahora realizaciones de la presente invención, a modo de ejemplo, y no en sentido limitativo, haciendo referencia a los dibujos adjuntos, de los que:
la Figura 1 es un diagrama esquemático de una realización de la presente invención;
la Figura 2 es un diagrama esquemático de otra realización de la presente invención;
la Figura 3 es un diagrama esquemático de otra realización de la presente invención;
la Figura 4 es un diagrama esquemático de otra realización de la presente invención;
la Figura 5 es un diagrama esquemático de otra realización de la presente invención; la Figura 6 es un diagrama esquemático de otra realización de la presente invención; la Figura 7 es un diagrama esquemático de parte de otra realización de la presente invención; y la Figura 8 es un diagrama esquemático de otra parte de la realización de la figura 7.
Descripción detallada
En la Figura 1, un pre-vaporizador 1 se alimenta con una corriente de alimentación 3 que comprende metanol y una corriente de recirculación 20. La corriente de alimentación 3 y la corriente de recirculación 20 se mezclan y se hacen pasar a través del pre-vaporizador 1 y un vaporizador 2, que juntos vaporizan y calientan la mezcla. La corriente vaporizada se hace pasar a un pre-calentador 6 y luego a un pre-reactor 7. En el pre-reactor 7, al menos una parte del metanol se convierte en formaldehído en un solo lecho de catalizador que funciona adiabáticamente. La corriente que sale del pre-reactor 7 pasa a través del pre-calentador 6 y pasa a un reactor tubular 8 refrigerado. En el pre-calentador 6 se intercambia calor entre las corrientes de salida y entrada del pre-reactor 7, enfriando así la salida y calentando la entrada. Una válvula de derivación 9 permite controlar la temperatura de la corriente que entra en el pre-reactor 7. Puede añadirse metanol 5 adicional a la corriente que entra en el reactor tubular 8 refrigerado. En el reactor tubular 8 refrigerado, el metanol que queda del pre-reactor 7 o añadido mediante la adición de metanol 5 se convierte en formaldehído. La corriente de producto del reactor tubular 8 pasa a través del vaporizador 2, donde el calor de la corriente de producto se usa para vaporizar y calentar la mezcla de la corriente de alimentación 3 y la corriente de recirculación 20, y luego en un absorbedor 4 para recuperar el formaldehído de la corriente de producto. El gas reciclado del absorbedor se mezcla con aire fresco para formar la corriente de recirculación 20. El reciclado mejora el rendimiento y reduce la concentración de oxígeno, lo que reduce el riesgo de explosión.
En la Figura 2, un pre-vaporizador 101 se alimenta con una corriente de alimentación 103 que comprende metanol y una corriente de recirculación 120. La corriente de alimentación 103 y la corriente de recirculación 120 se mezclan y se hacen pasar a través del pre-vaporizador 101 y un vaporizador 102, que juntos vaporizan y calientan la mezcla. La corriente vaporizada se hace pasar a un pre-calentador 106 y luego a un pre-reactor 107. En el pre-reactor 107, al menos una parte del metanol se convierte en formaldehído en un único lecho de relleno de catalizador que funciona adiabáticamente. La corriente que sale del pre-reactor 107 pasa a través de un generador de vapor 112, donde el calor de la corriente se intercambia con el agua de alimentación de la caldera 111 para producir vapor 110. Se proporciona una válvula de derivación 121 a través del generador de vapor 112. A continuación, la corriente pasa a través del pre­ calentador 106 y pasa a un reactor tubular 108 refrigerado. En el pre-calentador 106 se intercambia calor entre las corrientes de salida y entrada del pre-reactor 107, enfriando así la salida y calentando la entrada. Una válvula de derivación 109 permite controlar la temperatura de la corriente que entra en el pre-reactor 107. Puede añadirse metanol 105 adicional a la corriente que entra en el reactor tubular 108 refrigerado. En el reactor tubular 108, el metanol que queda del pre-reactor 107 o añadido mediante la adición de metanol 105 se convierte en formaldehído. La corriente de producto del reactor tubular 108 refrigerado pasa a través del vaporizador 102, donde el calor de la corriente de producto se usa para vaporizar y calentar la mezcla de la corriente de alimentación 103 y la corriente de recirculación 120, y luego en un absorbedor 104 para recuperar el formaldehído de la corriente de producto. El gas reciclado del absorbedor se mezcla con aire fresco para formar la corriente de recirculación 120.
En la Figura 3, un pre-vaporizador 201 se alimenta con una corriente de alimentación 203 que comprende metanol y una corriente de recirculación 220. La corriente de alimentación 203 y la corriente de recirculación 220 se mezclan y se hacen pasar a través del pre-vaporizador 201 y un vaporizador 202, que juntos vaporizan y calientan la mezcla. La corriente vaporizada se hace pasar a un pre-calentador 206 y luego a un pre-reactor 207. En el pre-reactor 207, al menos una parte del metanol se convierte en formaldehído en un solo lecho de catalizador que funciona adiabáticamente. La corriente que sale del pre-reactor 207 pasa a través del pre-calentador 206 donde se intercambia calor entre las corrientes de salida y entrada del pre-reactor 207 enfriando así la salida y calentando la entrada. Una válvula de derivación 209 permite controlar la temperatura de la corriente que entra en el pre-reactor 207. La corriente que sale del pre-calentador 206 pasa a un generador de vapor 215, donde el calor de la corriente se intercambia con el agua de alimentación de la caldera 213 para producir vapor 214. Se proporcionan válvulas de derivación 222 y 223 a través del generador de vapor 215 y a través del pre-calentador 206 y el generador de vapor 215. La corriente pasa luego a un reactor tubular 208 refrigerado. Puede añadirse metanol 205 adicional a la corriente que entra en el reactor tubular 208 refrigerado. En el reactor tubular 208 refrigerado, el metanol que queda del pre-reactor 207 o añadido mediante la adición de metanol 205 se convierte en formaldehído. La corriente de producto del reactor tubular 208 refrigerado pasa a través del vaporizador 202, donde el calor de la corriente de producto se usa para vaporizar y calentar la mezcla de la corriente de alimentación 203 y la corriente de recirculación 220, y luego en un absorbedor 204 para recuperar el formaldehído de la corriente de producto. El gas reciclado del absorbedor se mezcla con aire fresco para formar la corriente de recirculación 220.
En la Figura 4, un pre-vaporizador 301 se alimenta con una corriente de alimentación 303 que comprende metanol y una corriente de recirculación 320. La corriente de alimentación 303 y la corriente de recirculación 320 se mezclan y se hacen pasar a través del pre-vaporizador 301 y un vaporizador 302, que juntos vaporizan y calientan la mezcla. La corriente vaporizada se hace pasar a un pre-reactor 307. En el pre-reactor 307, al menos una parte del metanol se convierte en formaldehído en un solo lecho de catalizador que funciona adiabáticamente. La corriente que sale del pre-reactor 307 pasa a un generador de vapor 315, donde el calor de la corriente se intercambia con el agua de alimentación de la caldera 313 para producir vapor 314. Hay una válvula de derivación 323 a través del generador de vapor 315. La corriente pasa luego a un reactor tubular 308 refrigerado. Puede añadirse metanol 305 adicional a la corriente que entra en el reactor tubular 308 refrigerado. En el reactor tubular 308 refrigerado, el metanol que queda del pre-reactor 307 o añadido mediante la adición de metanol 305 se convierte en formaldehído. La corriente de producto del reactor tubular 308 refrigerado pasa a través del vaporizador 302, donde el calor de la corriente de producto se usa para vaporizar y calentar la mezcla de la corriente de alimentación 303 y la corriente de recirculación 320, y luego en un absorbedor 304 para recuperar el formaldehído de la corriente de producto. El gas reciclado del absorbedor se mezcla con aire fresco para formar la corriente de recirculación 320.
En la Figura 5, un pre-vaporizador 401 se alimenta con una corriente de alimentación 403 que comprende metanol y una corriente de recirculación 420. La corriente de alimentación 403 y la corriente de recirculación 420 se mezclan y se hacen pasar a través del pre-vaporizador 401 y el vaporizador 402, que juntos vaporizan y calientan la mezcla. La corriente vaporizada se hace pasar a un pre-reactor 407. En el pre-reactor 407, al menos una parte del metanol se convierte en formaldehído en un solo lecho de catalizador que funciona adiabáticamente. La corriente que sale del pre-reactor 407 pasa a través de un generador de vapor 412, donde el calor de la corriente se intercambia con el agua de alimentación de la caldera 411 para producir vapor 410. La corriente pasa luego a través del pre-calentador 402, donde se intercambia calor con la corriente de alimentación 403, y en un vaporizador y refrigerador de gas 416. Hay una válvula de derivación 421 a través del generador de vapor 412 y una válvula de derivación 424 a través del pre­ calentador 402. Puede añadirse metanol 405 adicional a la corriente en el vaporizador y refrigerador de gas 416 y la corriente combinada alimentarse a un reactor tubular 408 refrigerado. En el reactor tubular 408 refrigerado, el metanol que queda del pre-reactor 407 o añadido mediante la adición de metanol 405 se convierte en formaldehído. La corriente de producto del reactor tubular 408 refrigerado pasa a través del vaporizador y el refrigerador de gas 416, donde el calor de la corriente de producto se intercambia con la corriente que fluye al reactor tubular 408 refrigerado, y luego a un absorbedor 404 para recuperar el formaldehído de la corriente de producto. El gas reciclado del absorbedor se mezcla con aire fresco para formar la corriente de recirculación 420.
En la Figura 6, un pre-vaporizador 501 se alimenta con una corriente de alimentación 503 que comprende metanol y una corriente de recirculación 520. La corriente de alimentación 503 y la corriente de recirculación 520 se mezclan y se hacen pasar a través del pre-vaporizador 501 y un vaporizador 502, que juntos vaporizan y calientan la mezcla. La corriente vaporizada se hace pasar a un pre-reactor 507. En el pre-reactor 507, al menos una parte del metanol se convierte en formaldehído en un solo lecho de catalizador que funciona adiabáticamente. La corriente que sale del pre-reactor 507 pasa a un reactor tubular 508 refrigerado. Puede añadirse metanol 505 adicional a la corriente que entra en el reactor tubular 508 refrigerado. En el reactor tubular 508 refrigerado, el metanol restante del pre-reactor 507 o añadido mediante la adición de metanol 505 se convierte en formaldehído. La corriente de producto del reactor tubular 508 pasa a través del vaporizador 502, donde el calor de la corriente de producto se usa para vaporizar y calentar la mezcla de la corriente de alimentación 503 y la corriente de recirculación 520, y luego en un absorbedor 504 para recuperar el formaldehído de la corriente de producto. El gas reciclado del absorbedor se mezcla con aire fresco para formar la corriente de recirculación 520. En esta realización, una derivación 524 permite aislar el pre­ reactor 507 del proceso de modo que el catalizador en el pre-reactor 507 pueda cambiarse mientras el proceso continúa funcionando con la alimentación dirigida al reactor tubular 508 refrigerado. Una derivación 524 de este tipo también podría incluirse en las realizaciones ilustradas en las otras figuras.
En las Figuras 7 y 8, el aire fresco 625 que entra en el aparato se alimenta al lado de compresión de un turbocompresor 626. El aire se comprime, se mezcla con el gas pobre en oxígeno 233 reciclado que sale del absorbedor 204 y se alimenta a través de ventiladores de recirculación 632 a la entrada del pre-vaporizador 201 como corriente 220 de recirculación. El aparato de la Figura 8 es el aparato de la Figura 3, en el que las partes similares se han identificado mediante los mismos números. Se apreciará que el uso del aparato de la Figura 3 es solo a modo de ejemplo, y que cualquiera de los aparatos de las Figuras 1, 2, 3, 4, 5 o 6 podría usarse con el aparato de la Figura 7. En la Figura 8, el absorbedor 204 se representa explícitamente, volviendo a alimentar la salida 233 del absorbedor 204, en el punto B, al aparato de la Figura 7. Parte de la salida 233 del absorbedor 204 se alimenta al Sistema de Control de Emisiones (ECS) 630. El resto se recicla y se mezcla con el aire comprimido procedente del turbocompresor 626. En el ECS se utiliza una incineración catalítica para eliminar los residuos peligrosos del gas. En el ejemplo ECS 630 mostrado, el gas se precalienta primero usando el calor residual que queda aguas abajo del turbocompresor 626 y luego se incinera en un lecho de catalizador. No obstante, se podría utilizar cualquier ECS adecuado y el precalentamiento en el ECS se podría lograr utilizando otros medios. Los gases, ahora calientes, que salen del ECS 630 se alimentan al lado de la turbina 627 del turbocompresor 626 donde proporcionan la energía para comprimir el aire fresco 625 entrante. La reutilización de la energía de esta manera permite presurizar el aire fresco 625 de una manera económicamente factible de modo que las ventajas resultantes de un mayor rendimiento no se anulen por el coste de lograr la presurización. Aguas abajo de la turbina 627, el gas se hace pasar opcionalmente a través de una unidad 631 de recuperación de energía adicional antes de hacerlo pasar a través del pre-calentador del ECS 630 y ser purgado a la atmósfera 629. Como se ha indicado anteriormente, la recuperación de calor aguas abajo de la turbina puede realizarse de formas alternativas. Por ejemplo, la unidad de recuperación de energía 631 puede omitirse por completo, sucediendo toda la recuperación de energía en el pre-calentador del ECS 630. La provisión del turbocompresor 626 permite obtener presiones más altas sin incurrir en un coste excesivo. El pre-reactor 207 permite que se utilicen esas altas presiones sin aumentar excesivamente el tiempo de parada para la sustitución del catalizador. La combinación del turbocompresor 626 con el pre-reactor 207 crea un proceso de alta presión particularmente ventajoso.
Los expertos en la materia apreciarán que las realizaciones anteriores se han descrito únicamente a modo de ejemplo y no en ningún sentido limitante, y que son posibles diversas alteraciones y modificaciones sin alejarse del alcance de la invención, tal como se define en las reivindicaciones. Por ejemplo, aunque las realizaciones representadas aquí muestran pre-reactores y reactores tubulares refrigerados separados, la sección de pre-reactor y la sección de reactor tubular refrigerado podrían implementarse como secciones diferentes en un único recipiente del reactor. Por ejemplo, la sección de pre-reactor y la sección de reactor tubular refrigerado podrían disponerse una encima de la otra en una columna. En algunas realizaciones, la corriente de alimentación puede comprender metilal(dimetoximetano) en lugar de metanol. En algunas realizaciones pueden estar presentes tanto metanol como metilal. En algunas realizaciones, el pre-vaporizador puede no estar presente y la vaporización y el calentamiento de la corriente de alimentación pueden llevarse a cabo en un solo vaporizador, que también puede actuar como refrigerador de gas como en las realizaciones descritas, o de forma diferente.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un aparato para la producción de formaldehído, comprendiendo el aparato una sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508) que tiene una primera entrada, una primera salida y una pluralidad de tubos, cada uno de los cuales tiene un primer extremo en comunicación fluida con la primera entrada y un segundo extremo en comunicación fluida con la primera salida, estando configurada la pluralidad de tubos para contener, durante el uso, un primer catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, estando el aparato caracterizado por que el aparato comprende además una sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) que tiene una entrada y una salida en comunicación fluida con la primera entrada de la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508), estando configurada la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) para contener, durante el uso, un lecho de catalizador adiabático que comprende un segundo catalizador para la producción de formaldehído por deshidrogenación oxidativa catalítica, en donde el aparato comprende un turbocompresor (626) para presurizar el gas que entra al aparato y en donde el aparato comprende un sistema de control de emisiones (630) para la combustión del gas residual de la producción del formaldehído y el turbocompresor (626) está conectado al sistema de control de emisiones (630) de manera que el turbocompresor (626) pueda ser alimentado por la energía en el gas residual que sale del sistema de control de emisiones (630).
2. Un aparato de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el lecho de catalizador adiabático es un lecho de relleno de catalizador.
3. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el área de la sección transversal del lecho de catalizador de la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) está en el intervalo de 50 % a 150 % del área de la sección transversal tubular de la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508).
4. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el aparato comprende una entrada de alimentación adicional conectada a la primera entrada del reactor refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508) de manera que, durante el uso, se puede añadir metanol entre la salida del pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) y la primera entrada del reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508).
5. Un proceso de producción de formaldehído, comprendiendo el proceso alimentar una corriente de alimentación que comprende metanol a una sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) que funciona adiabáticamente, convertir al menos parcialmente el metanol en la corriente de alimentación en formaldehído en la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) para producir una primera corriente de producto que comprende formaldehído, alimentar la primera corriente de producto, opcionalmente con la adición de más metanol, a una sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508), y convertir, al menos parcialmente, el metanol en la primera corriente de producto en formaldehído en la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508) para producir una segunda corriente de producto que comprende formaldehído, en donde el gas residual del proceso se alimenta a un turbocompresor (626) en donde se usa la energía del gas residual para comprimir un gas de alimentación al proceso.
6. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 5, en donde la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) comprende un lecho de catalizador y la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508) comprende tubos que contienen el catalizador y el proceso comprende hacer funcionar el proceso durante un periodo de tiempo, y reemplazar el lecho de catalizador una o más veces con un lecho de catalizador nuevo durante el periodo de tiempo, en donde el catalizador en los tubos no se reemplaza durante el periodo de tiempo.
7. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 6, en donde el proceso comprende hacer funcionar el proceso, hacer funcionar una derivación de modo que la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) esté aislada del proceso y la corriente de alimentación se alimente a la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508), reemplazar el catalizador en la sección de pre-reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) e invertir el funcionamiento de la derivación para que la corriente de alimentación se alimente una vez más a la sección de pre­ reactor.
8. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 7, en donde el catalizador en la sección de pre­ reactor (7, 107, 207, 307, 407, 507) se reemplaza con más frecuencia que el catalizador en la sección de reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508).
9. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8 en donde el proceso comprende añadir metanol a la primera corriente de producto antes de alimentarlo al reactor tubular refrigerado (8, 108, 208, 308, 408, 508).
10. Un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 para su uso en un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9.
11. Uso de un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9.
12. Un proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 a 9, en donde el proceso se lleva a cabo en un aparato de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
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