ES2877374T3 - Aparato para procesos endotérmicos con disposición mejorada de los quemadores - Google Patents

Abstract

Horno (1) para realizar un proceso endotérmico que comprende tubos (2) que contienen un catalizador para convertir una alimentación gaseosa, en donde los tubos se colocan en filas dentro del horno, en donde los quemadores (3, 6) se montan entre los tubos y entre los tubos y las paredes del horno paralelas a las filas de tubos, y en donde las filas de quemadores (5) paralelas a las filas de tubos y las filas de tubos (9) con la dirección de las filas que se identifica como eje X se terminan mediante paredes finales (7), y con vigas de soporte que dividen las filas de tubos y quemadores en secciones (10, 12) siendo la distancia del quemador final (8a) a la pared final (7) B2W, siendo la distancia entre dos quemadores adyacentes de la sección B2B, y siendo la mitad de la distancia entre dos secciones B2S, caracterizado por que los quemadores de las filas se disponen de tal manera que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,3.

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato para procesos endotérmicos con disposición mejorada de los quemadores

La presente invención se refiere al diseño de hornos de combustión superior o inferior para el reformado de metano con vapor (SMR) y otras reacciones endotérmicas como el craqueo de materias primas de hidrocarburos en reactores de combustión externa.

El proceso SMR se basa principalmente en la reacción de reformado de hidrocarburos ligeros, tales como el metano, que da lugar a una mezcla de hidrógeno (H²) y monóxido de carbono (CO) en presencia de vapor de agua. La reacción es endotérmica y lenta y requiere un aporte de calor adicional, así como un catalizador para que se produzca. Por lo general, el rendimiento de los reactores SMR está limitado por la transferencia de calor y no por la cinética de las reacciones.

En la práctica industrial, el reactor SMR suele estar compuesto por tubos colocados en un horno, dichos tubos se llenan de catalizador -generalmente en forma de pellets- y se alimentan con la mezcla de gas de proceso de metano y vapor.

Existen varias configuraciones totalmente probadas para el diseño de hornos, según se ilustra en la Figura 1, que presenta la pared de combustión superior (también conocida como de combustión descendente), la pared de combustión inferior (también conocida como combustión ascendente), la pared de combustión lateral y la pared de terraza.

La tecnología de combustión superior es uno de los diseños más referenciados y se ofrece por varios proveedores de tecnología. Los hornos de combustión superior normalmente se fabrican con una cámara de combustión revestida de material refractario que contiene varias filas de tubos que contienen catalizador. El calor necesario para que se produzca la reacción es proporcionado por los quemadores de techo colocados en filas entre los tubos, y también por las filas de quemadores de techo adicionales en el lado del horno, a lo largo de las paredes del horno. Los productos de la combustión que salen de los quemadores se suelen soplar verticalmente hacia abajo, de modo que las filas de tubos se enfrentan a las llamas en su parte superior. En el nivel del suelo del horno se suele proporcionar un colector de salida de gases de combustión.

La tecnología de combustión inferior es menos común en las plantas modernas. De acuerdo con la tecnología de combustión inferior, los quemadores se disponen en fila en el suelo del área de combustión entre las filas de tubos y disparan verticalmente hacia arriba. Este tipo de reformador tiene un perfil de flujo de calor casi constante a lo largo del tubo.

El objetivo principal del diseño del horno (también llamado diseño de la cámara de combustión) es maximizar el calor transferido desde los quemadores a los tubos -desde las llamas de los quemadores y también desde las paredes y los gases de combustión calientes- respetando al mismo tiempo una restricción de temperatura máxima de funcionamiento de los tubos. La temperatura máxima de funcionamiento de los tubos MOT (también conocida como restricción máxima de funcionamiento o MOT) es una función de varios factores, y en particular de la carga mecánica de los tubos (principalmente la presión del gas de alimentación), de las propiedades mecánicas de las aleaciones utilizadas para los tubos y de la vida útil deseada de los tubos expuestos a la fluencia y al envejecimiento térmico.

Cualquier intensificación del calor transferido a los tubos tiene un impacto positivo directo, ya sea por el aumento de la productividad o por la mejora de la compacidad de la cámara de combustión, lo cual es valioso en términos de gastos de capital. Sin embargo, la intensificación del calor transferido suele implicar niveles de temperatura superficial del tubo más elevados que reducen su vida útil o requieren aleaciones más resistentes, que son mucho más caras.

La falta de homogeneidad en la distribución de la carga térmica en el horno hará que algunos de los tubos estén más calientes que otros, por lo que los perfiles de temperatura de los tubos son elementos críticos para el diseño del horno y durante su funcionamiento. Los perfiles de temperatura de los tubos proporcionan una información decisiva a la hora de buscar un buen compromiso entre rendimiento y durabilidad; un buen compromiso es en realidad esencial.

Por consiguiente, durante el funcionamiento, el rendimiento del horno está limitado por la temperatura del tubo más caliente, que no debe ser superior a la MOT. Mientras tanto, el rendimiento del proceso, es decir, la productividad o la eficiencia de la conversión, depende del flujo de calor y de las temperaturas medias de los tubos. Por consiguiente, cuanto menor sea la diferencia entre la temperatura del tubo más caliente y la temperatura media del tubo, mejor será el rendimiento del horno.

En aras de la simplicidad, la mayoría de las explicaciones que siguen se hacen con referencia a un horno de combustión superior. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la mayoría de las figuras y explicaciones se aplican también a los hornos de combustión inferior.

En un horno de este tipo, los tubos del catalizador se disponen en filas dentro del horno. La alimentación se suministra a través de la parte superior de los tubos; conteniendo el gas de síntesis producido, hidrógeno y monóxido de carbono como componentes principales, y los residuos se extraen por la parte inferior de los tubos. Los quemadores se disponen en filas entre las filas de tubos y entre los tubos y las paredes. Los gases de combustión resultantes se extraen a través de túneles de escape.

El importante número de tubos y quemadores hace necesaria la adición de vigas de techo para soportar la estructura y para garantizar la seguridad del horno; dichas vigas de soporte dividen las filas en varias partes (también conocidas como secciones o bahías).

La Figura 3 presenta una vista en planta de un horno de combustión superior con 8 filas de 54 tubos cada una organizadas en 3 secciones (o bahías) de 18 tubos cada una - y 9 filas de 12 quemadores organizados también en 3 secciones de 4 quemadores cada una, y paralelas a las filas de tubos. Las filas de quemadores se terminan por una pared (pared a lo largo del eje Y también identificada como "paredes finales"). Para todas las filas de quemadores, los quemadores finales orientados a la pared final se identifican como "quemadores de paredes finales".

Las secciones se terminan por una pared final o por un plano de simetría que separa dos secciones adyacentes. Los quemadores finales más cercanos a los planos de simetría se identifican como "quemadores finales simétricos". Esta división en secciones induce unas condiciones de contorno diferentes para los chorros de llama que provocan la fusión de los chorros hacia el centro de las secciones.

En toda la descripción, la expresión "fila de quemadores" se debe entender como "fila de quemadores paralela a las filas de tubos", identificándose también la dirección de las filas como eje X; las filas de quemadores que son perpendiculares a las filas de tubos (a lo largo del eje Y) se identificarán de forma explícita cuando sea necesario como "fila de quemadores perpendicular a las filas de tubos" o "fila paralela al eje Y".

En los hornos a los que se refiere la invención, en los que los quemadores se colocan en filas paralelas a las filas de tubos, para cada quemador, la dirección del chorro de llama creado por el quemador se ve afectada por la interacción con los chorros confluyentes cercanos y por la presencia de la pared (si la hay).

En lo sucesivo en la presente memoria, sólo se tratará en esta invención la interacción de los chorros de llama dentro de una fila de quemadores paralela a las filas de tubos (a lo largo del eje X). Se debe tener en cuenta que todos los quemadores de una fila paralela a las filas de tubos funcionan a la misma potencia, lo que no es el caso para los quemadores de una fila perpendicular a las filas de tubos.

La técnica anterior, y en particular los documentos US 7686611, US 2011/0220847, US 2007/0128091, US 2015/0217250 ya han considerado el caso de la interacción de los chorros de llama dentro de una fila de quemadores perpendicular a las filas de tubos (a lo largo del eje Y), y por consiguiente los problemas que son específicos a esta dirección no se consideran en esta invención.

El documento EP2708812 describe un horno de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Sin embargo, el problema de la interacción de las llamas del chorro dentro de una fila de quemadores paralela a las filas de tubos también genera problemas que no han sido resueltos por la técnica anterior, y la presente invención pretende centrarse y mejorar el comportamiento de los quemadores en filas a lo largo del eje X; más en concreto la invención pretende aportar una solución a la falta de homogeneidad del calentamiento de los tubos a lo largo del eje X.

Teniendo en cuenta ahora el chorro de llama que sale de un quemador de pared final; se comporta como un chorro de fluido: el chorro de llama que pasa por encima de un chorro de llama adyacente tiene que rociar a través de una corriente externa de fluido que fluye en la misma dirección; por otro lado, el chorro de llama que pasa por encima de una pared final tiene necesariamente su velocidad local cerca de la pared final igual a cero. Estas condiciones de contorno diferentes inducen una desviación del chorro de llama con respecto al eje del chorro.

Además, un elevado número de tubos y/o quemadores en cada fila induce restricciones geométricas en el horno que hacen necesario añadir vigas de soporte para garantizar la seguridad del horno; dichos soportes tienen lugar, por consiguiente, en huecos (o espacios) que dividen las filas en varias secciones repetidas de forma periódica. Esta división induce condiciones de contorno diferentes adicionales que impactan en la llama del chorro, provocando variaciones de velocidad a través del eje del chorro de los quemadores finales simétricos, que son los más cercanos a dichos soportes.

Esto significa que las llamas del chorro generado por los diferentes quemadores de una fila están sometidas a diferentes influencias en función de su ubicación en la fila, y en consecuencia los tubos reciben una cantidad variable de calor en función de su posición en la fila.

Para ilustrar este fenómeno, se han realizado simulaciones numéricas utilizando un solucionador de dinámica de fluidos computacional (CFD) en 3D destinado a calcular la transferencia de calor entre la cámara de combustión y los reactores catalíticos tubulares.

Con este objetivo, se definen las "bahías representativas" de los hornos de combustión superior SMR; las "bahías representativas" definidas tendrían que ser "representativas" de las secciones (o bahías) repetidas descritas anteriormente, y también tienen que tener en cuenta la presencia de las paredes o de los planos de simetría. El reformador modular estándar se compondría entonces de un conjunto de una serie de bahías representativas para alcanzar la capacidad deseada de la planta.

En función del número de tubos y quemadores en las filas y/o de las restricciones geométricas adicionales, pueden existir diferentes tipos de "bahías representativas" con diversos números de quemadores y tubos. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la invención se aplica a todos los tipos de secciones en términos de número de quemadores, o en términos de número de tubos o en términos de tipo de extremo de la sección (ya sea la pared final o el hueco que separa las secciones adyacentes).

Dichas bahías representativas se muestran en la Figura 4. En aras de la simplicidad, las explicaciones que siguen se hacen con respecto a una bahía representativa compuesta por un subconjunto de dieciocho tubos calentados por dos filas de cuatro quemadores de la misma potencia, con una pared final en un extremo de la bahía y un plano de simetría en el segundo extremo de la bahía.

La Figura 5a ilustra el efecto de fusión de la llama del chorro debido a la desviación de los chorros de llama cerca de la pared y hacia el hueco que separa las secciones adyacentes.

La fusión de las llamas del chorro hacia el centro de la bahía induce una transferencia de calor no homogénea a los tubos de reformado; los tubos situados en el centro de la bahía representativa alcanzan una temperatura superficial más alta, según muestran los resultados del CFD 3D de la Figura 5b. En el caso presentado, la diferencia entre el valor máximo de la temperatura superficial y el valor mínimo de la temperatura superficial dentro de la bahía representativa alcanza los 30 °C.

Por consiguiente, existe un problema de falta de homogeneidad en el calentamiento a lo largo de una fila de tubos, y la invención tiene por objetivo resolver este problema de control de la homogeneidad del flujo térmico en los SMR de combustión superior (y también de combustión inferior) limitando la fusión de la llama del chorro a lo largo de las filas de tubos.

Los inventores han comprobado que la forma en que los quemadores se disponen en una fila, varias de las distancias entre los quemadores, las paredes finales y los planos de simetría, y más exactamente algunas relaciones de distancia específicas son muy importantes para evitar la fusión de los chorros de llama. Esas distancias de interés se presentan en la Figura 6 ; esta figura muestra la misma bahía representativa de la Figura 4 con dieciocho tubos alineados flanqueados por dos filas de cuatro quemadores. En la figura también se indican las distancias que se han comprobado como parámetros clave, que son las siguientes:

• B2B es la distancia entre dos quemadores adyacentes en la bahía;

• B2W es la distancia entre el quemador final y la pared final;

• B2S es la distancia entre el quemador cercano al hueco de simetrías -es decir, adyacente a otra bahía- y el plano de simetría, medio del hueco entre dos bahías adyacentes, por lo que B2S es la mitad de la distancia entre dos secciones.

Las relaciones que los inventores consideran decisivas son B2B/B2S y B2B/B2W.

Un objetivo de la presente invención es limitar el fenómeno de fusión de la llama a lo largo de las filas de quemadores.

Un objetivo adicional de la invención es reducir el rango de temperaturas de los tubos a lo largo de las filas de tubos calentados por dichas filas de quemadores.

La presente invención propone alcanzar dichos objetivos gracias a un horno y a un método de diseño de este horno que evite la aparición de los chorros de llama, así como el problema de sobrecalentamiento de los tubos, por medio de una disposición optimizada de los quemadores a lo largo de las filas de quemadores.

Por consiguiente, un objetivo de la invención es ofrecer un horno para realizar un proceso endotérmico que comprende tubos que contienen un catalizador para convertir una alimentación gaseosa, en donde los tubos se colocan en filas dentro del horno, en donde los quemadores se montan entre los tubos y entre los tubos y las paredes del horno paralelas a la fila de tubos, y en donde las filas de quemadores y las filas de tubos se terminan mediante paredes finales y se dividen en secciones, siendo la distancia desde el quemador final a la pared final B2W, siendo la distancia entre dos quemadores adyacentes en la sección B2B, y siendo la mitad de la distancia entre dos secciones B2S, caracterizado por que los quemadores en las filas se disponen de tal manera que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,3, limitando de este modo la aparición del fenómeno de fusión de la llama y reduciendo significativamente la media cuadrática del perfil de temperatura del tubo.

En un horno preferido de la invención, las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,6 y preferiblemente mayores de 1,8, lo que conduce de este modo a una mejora adicional de la media cuadrática del perfil de temperatura del tubo.

En este sentido, es más preferible que B2B/B2W y B2B/B2S sean iguales y mayores de 1,6 y preferiblemente iguales y mayores de 1,8.

La invención es especialmente adecuada para hornos con quemadores montados en el techo del horno.

De acuerdo con otra forma de realización, los quemadores se montan en el suelo y disparan verticalmente hacia arriba. El reformador de la invención es ventajosamente un horno reformador de metano a vapor.

De acuerdo con otro aspecto, la invención se refiere a un proceso endotérmico para ser realizado en un horno que comprende tubos y quemadores, comprendiendo dicho proceso:

• introducir una alimentación gaseosa y vapor en los tubos que contienen un catalizador para convertir una alimentación gaseosa, en donde los tubos se colocan en filas dentro del horno,

• quemar el combustible con aire en quemadores montados entre los tubos y entre los tubos y las paredes del horno paralelas a la fila de tubos,

• descargar los productos generados en el extremo inferior de los tubos,

en donde las filas de quemadores y las filas de tubos se terminan mediante paredes finales y se dividen en secciones, siendo la distancia desde el quemador final a la pared final B2W, siendo la distancia entre dos quemadores adyacentes en la sección B2B, y siendo la mitad de la distancia entre dos secciones B2S, caracterizado por que los quemadores en las filas se disponen de tal manera que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,3, limitando de este modo la aparición del fenómeno de fusión de la llama y reduciendo significativamente la media cuadrática del perfil de temperatura del tubo.

Además, el proceso de la invención puede ser - considerado por separado o en combinación:

• un proceso de reformado de metano con vapor;

• un proceso de acuerdo con la reivindicación 8, en donde las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,6 y preferiblemente mayores de 1,8;

• un proceso de acuerdo con la reivindicación 9 en donde las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son iguales;

• un proceso de acuerdo con las reivindicaciones 7 a 10 en donde el horno es un horno de combustión superior;

• un proceso de acuerdo con las reivindicaciones 7 a 10 para ser realizado en un horno de combustión inferior.

El horno de la presente invención y sus ventajas se describirán con más detalle en los siguientes ejemplos y sobre la base de los dibujos, donde:

La Fig. 1 muestra la configuración de los quemadores para diseños de hornos comunes;

La Fig. 2 muestra una disposición típica mediante una representación en 3D de un horno de combustión superior utilizado para la síntesis de gas de síntesis;

La Fig. 3 muestra una vista en planta de un horno de combustión superior, que destaca los tubos y la organización de los quemadores;

La Fig. 4 muestra una vista en planta del mismo horno en la que se destacan las "bahías representativas" en la escala del horno;

La Fig. 5a muestra la fusión de los chorros de llama para una "bahía representativa" elegida (con 4 quemadores y 18 tubos);

La Fig. 5b muestra el perfil de temperatura superficial máxima del tubo para los 18 tubos de la misma bahía representativa que la Fig. 5a;

La Fig. 6 muestra los parámetros clave -de acuerdo con la invención- para el reparto de los quemadores en la bahía representativa de la Fig. 5a y Fig. 5b;

La Fig. 7 presenta 3 distribuciones diferentes de los quemadores en la bahía representativa de la Fig. 6; La Fig. 8 ilustra el comportamiento de los chorros de llama para los 3 casos presentados en la Fig. 7; La Fig. 9 muestra las temperaturas superficiales máximas del tubo para los 18 tubos de la bahía representativa para los mismos 3 casos presentados en la Fig. 8;

La Fig. 10 presenta una tabla que proporciona la media cuadrática de la temperatura de los tubos obtenida a partir de simulaciones aplicadas a una serie de bahías representativas

Según se indicó anteriormente, la invención tiene por objetivo ofrecer un diseño mejorado de un horno de tipo de combustión superior o de combustión inferior - dichos hornos se ilustran en la Figura 1 - para llevar a cabo un proceso endotérmico; el objetivo es mitigar las variaciones de temperatura a lo largo de < a las filas de tubos -a lo largo del eje X- que tienen la misma potencia gracias a una mejor distribución de los quemadores a lo largo de dicha fila.

Para poder identificar y proponer las mejores disposiciones de los quemadores a lo largo de una fila, se han realizado simulaciones numéricas para diferentes disposiciones de los quemadores -con la misma potencia- a lo largo de una fila de quemadores, para varias centrales SMR.

La herramienta utilizada para identificar las mejores distribuciones de los quemadores en la "bahía representativa" es la herramienta que se utilizó en este documento anteriormente para plantear la falta de homogeneidad de los chorros de llama y de las temperaturas de los tubos resultantes de los diseños existentes.

Las simulaciones numéricas se realizan en bahías representativas de SMR de combustión superior utilizando un solucionador de dinámica de fluidos computacional (CFD) en 3D destinado a calcular la transferencia de calor entre la cámara de combustión y los reactores catalíticos tubulares.

Para un horno determinado, se eligen bahías representativas; las bahías representativas definidas tendrían que ser representativas de secciones repetidas, y también tienen que tener en cuenta la presencia de las paredes y también los huecos entre secciones para los hornos con dos secciones o más. El reformador modular estándar con la capacidad deseada se compondría entonces ensamblando un número adecuado de bahías representativas.

La lectura de la siguiente descripción más detallada de las figuras ayudará a comprender la invención.

La Figura 2 es una vista en perspectiva 3D de un horno; más exactamente, muestra una disposición típica de un horno de combustión superior 1 utilizado para producir un gas de síntesis a partir de una alimentación que contiene metano y vapor. Los tubos catalizadores 2 se disponen en filas dentro del horno 1. La alimentación se suministra a través de los tubos 2 desde la parte superior a la inferior; el gas de síntesis producido, que contiene hidrógeno y monóxido de carbono como componentes principales, y los residuos, se extraen de la parte inferior de los tubos 2. Los quemadores 3 se disponen en filas entre las filas de tubos y entre los tubos y las paredes a lo largo del eje X. Los gases de combustión resultantes se extraen a través de túneles de escape 4.

La Figura 3 presenta una vista en planta de un horno de combustión superior 1 con 8 filas 9 de 54 tubos, estando dispuesta cada fila en 3 secciones 10 de 18 tubos cada una - y 9 filas 5 de 12 quemadores 6 dispuestas en 3 secciones 10 de 4 quemadores cada una, y paralelas a las filas de tubos. Las filas 5 de quemadores 6 se terminan mediante una pared 7 (pared a lo largo del eje Y también identificadas como "paredes finales"). Para todas las filas 5 de quemadores 6 , los quemadores finales 8a orientadas a la pared 7 se identifican como "quemadores de paredes finales".

Según ya se ha indicado, un número importante de tubos y quemadores hace necesario añadir vigas de soporte para garantizar la seguridad del horno; dichos soportes dividen las filas en varias partes (también conocidas como secciones o bahías 10). Las secciones 10 terminan bien mediante en una pared 7 o bien mediante un plano de simetría 11 que separa dos secciones adyacentes. Los quemadores finales 8b más cercanos a los planos de simetría 11 se identifican como "quemadores finales simétricos". Esta división en secciones 10 induce unas condiciones de contorno diferentes para los chorros de llama que provocan la fusión de los chorros de llama hacia el centro de las secciones.

La Figura 4 muestra una vista en planta del horno en la que se destacan cuatro bahías representativas en la escala del horno - véanse los rectángulos grises. La bahía representativa 12 se compone de un subconjunto de 18 tubos alineados, calentados por 2 filas de 4 quemadores de la misma potencia, siendo un extremo W una pared representativa de la pared final 7 , y el segundo extremo S representativo del plano de simetría 11 en el centro del hueco entre 2 secciones 10. La configuración de la bahía representativa 12 se utilizará para las simulaciones destinadas a describir la invención y presentadas a continuación en la presente memoria en relación con las figuras. La Figura 5a presenta el campo de temperatura en un plano cortado en el centro de los quemadores. Resulta de la simulación numérica aplicada a la bahía representativa 12 de la Figura 4 con las características de disposición de los quemadores B2B/B2W = 1,1 y B2B/B2W = 1,2; ilustra el efecto de fusión de la llama hacia el centro de la bahía debido a la desviación de los chorros de llama de los quemadores extremos 8a cerca de una pared 7 y de los quemadores extremos 8b cerca del plano de simetría 11.

Debido a este comportamiento de fusión de los chorros de llama, el calor transferido a los tubos carece de homogeneidad, los tubos situados en el centro de la bahía representativa alcanzan una temperatura superficial más alta, según se muestra en la Figura 5b, que presenta el perfil de la temperatura máxima del tubo calculada gracias al modelo CFD 3D; esto ilustra claramente que la transferencia de calor a los tubos no es homogénea. Se observa una temperatura superficial más elevada en los tubos situados en el centro de la bahía representativa, y la diferencia entre el valor máximo y mínimo de la temperatura superficial en esta bahía representativa alcanza los 30 °C.

Según se indicó anteriormente, la invención tiene por objetivo controlar las inhomogeneidades del flujo térmico en una bahía representativa con el fin de, en consecuencia, controlar el flujo térmico a lo largo de toda la fila y, finalmente, mejorar el control del flujo térmico en todo el horno. Para lograr este resultado, la invención tiene por objetivo limitar la fusión de los chorros de llama gracias a un diseño mejorado de la disposición de los quemadores a lo largo de filas de quemadores de la misma potencia.

Para optimizar las disposiciones de los quemadores, se han realizado simulaciones numéricas del comportamiento de diferentes plantas SMR.

Como ya se ha indicado, la disposición de los quemadores a lo largo de una fila se puede definir por las tres distancias B2B, B2W y B2S (en metros). Identificadas en la Figura 6 , las distancias corresponden a lo siguiente:

• B2B es la distancia entre dos quemadores adyacentes en la bahía representativa;

• B2W es la distancia entre la pared final 7 y el quemador 8a en la bahía representativa;

• B2S es la distancia entre el plano de simetría 11 y el quemador 8b en la bahía representativa; Las tres distancias mencionadas anteriormente han sido identificadas como de gran importancia y representativas de la fila, con más precisión en forma de las dos relaciones B2B/B2S y B2B/B2W.

Observación: en función de su dimensión y geometría, un horno se puede "representar" mediante diferentes bahías representativas, según se deduce a partir de la Figura 4; una bahía se puede caracterizar por un par de las siguientes relaciones:

• (B2B/B2W y B2B/B2S) para una bahía cercana a una pared final 7 en un extremo y un plano de simetría en el otro extremo.

• (B2B/B2S y B2B/B2S) para una sección media con planos de simetría 11 en ambos extremos • (B2B/B2W y B2B/B2W) para una sección con paredes finales 7 en ambos extremos en el caso de un reformador pequeño con únicamente una sección.

Las tres figuras siguientes presentan las diferentes distribuciones de los quemadores para la bahía 12 representativa al que se han aplicado las simulaciones y los resultados obtenidos.

La Figura 7 muestra 3 distribuciones diferentes de los 4 quemadores de la bahía 12 de la Figura 6; para cada caso, se indican las dos relaciones B2B/B2S y B2B/B2W y los quemadores se representan en forma de rombo, triángulo o cuadrado de acuerdo con la distribución. Las mismas formas se utilizarán para diferenciar los 3 casos en las siguientes figuras relacionadas. Para los tres casos, la distribución de los 18 tubos se mantiene sensiblemente la misma.

La Figura 8 muestra el campo de temperatura en un plano cortado por el centro de los quemadores para los mismos 3 casos.

Los resultados de la simulación numérica ponen de manifiesto que los chorros de llama procedentes de los quemadores finales 8a y 8b están más o menos desviados, en función de la distribución de los quemadores. La forma más regular se observa para el caso referenciado en triángulo con las relaciones B2B/B2S = B2B/B2W = 1,8; el efecto de fusión máximo se observa para el caso referenciado en cuadrado con B2B/B2S = 1,2 y B2B/B2W = 1,1, con los chorros de llama de los quemadores finales desviados hacia el centro de la bahía; el caso referenciado en rombo con B2B/B2S = 2,1 y B2B/B2W = 1,9 es intermedio con un efecto de desviación ligeramente visible hacia la bahía adyacente que aumenta la temperatura del fluido cerca del lado de simetría.

La Figura 9 muestra el perfil de temperatura superficial máxima del tubo a lo largo de una fila de tubos para los mismos 3 casos. La comparación de los tres perfiles confirma las observaciones realizadas sobre las formas de las llamas: el perfil de temperatura de los tubos referenciados en triángulo es el más uniforme y regular, con una dispersión de la temperatura entre el tubo más caliente y el más frío de unos 10 °C, mientras que el perfil de temperatura de los tubos referenciados en rombo es regular (no hay un máximo en el centro de la bahía) pero no es uniforme (la temperatura aparece globalmente más alta en el lado de simetría que en el lado de la pared) debido a las relaciones desiguales B2B/B2S = 2,1 y B2B/B2W=1,9 que conducen a una dispersión de la temperatura de 28 °C, y el perfil de temperatura de los tubos referenciados en cuadrado presenta un perfil en forma de parábola sobresaliente con un máximo en el centro de la bahía y la mayor dispersión de la temperatura de 30 °C.

Para obtener las reglas generales de diseño, se ha realizado un estudio paramétrico sobre 14 ejemplos de bahías de referencia con diferentes valores para las distancias B2B, B2S y B2W, y varios números de tubos y quemadores de modo que representen una gran variedad de diseños posibles. Este estudio ha permitido identificar las mejores relaciones B2B/B2W y B2B/B2S, conduciendo de este modo a definir las mejores reglas de diseño, gracias a este estudio, también se ha podido estimar la ganancia en términos de homogeneización de temperatura entre los tubos.

La Figura 10 presenta una tabla que resume el estudio presentado anteriormente en este documento, con el impacto de la disposición de los quemadores en media cuadrática (también conocida como media cuadrática RMS) del perfil de temperatura de los tubos dentro de las diferentes bahías de referencia. La media cuadrática de la temperatura máxima del tubo cuantificará la dispersión de las temperaturas de los tubos dentro de una bahía de referencia.

Como el objetivo principal de la invención es resolver el problema de la falta de uniformidad de las temperaturas a lo largo de una fila de tubos, esto significa que los mejores ejemplos son los que dan un valor RMS lo más bajo posible; en los ejemplos presentados, los valores RMS más altos están en torno a 10, mientras que los más bajos están cerca de 1 °C. Una desviación estándar tan baja (no muy lejos de 0) indica que los tubos tienen temperaturas similares, mientras que una desviación estándar alta -cercana a 10 o incluso más- indica que las temperaturas de los tubos se reparten en un rango de valores más amplio. Por lo tanto, cuanto menor sea la RMS de la temperatura máxima de los tubos en una bahía, mejores serán los rendimientos de un reformador de metano a vapor.

En función del estudio realizado, fueron definidas a continuación en la presente memoria las siguientes reglas de relación del quemador:

• para tener un valor RMS inferior a 5, las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S deberían ser mayores de 1,3

• con relaciones B2B/B2W y B2B/B2S mayores de 1,6, se espera que el valor RMS sea menor de 3

• además, si las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,8, entonces se espera que los valores RMS sean normalmente menores de 2.

Otra tendencia que describen estos ejemplos es que la temperatura RMS del tubo en una bahía representativa disminuye cuando las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son cada vez más similares, preferiblemente iguales. Esta tendencia se observa para todos los valores de las relaciones.

Por último, el número de tubos o de quemadores en las bahías representativas no influye en las reglas de relación. Por consiguiente, aplicando las reglas de relación de los quemadores de la invención cuando se diseña un horno, se puede reducir el número de quemadores por sección a la vez que se consigue una buena homogeneización en la transferencia de calor de los quemadores a los tubos.

Los resultados anteriores ponen de manifiesto las reglas de diseño que se deben aplicar a la disposición de los quemadores a lo largo de las filas para obtener temperaturas de los tubos más regulares a lo largo de las filas. Gracias al cumplimiento de estas reglas, se pueden evitar los tubos calientes, frecuentemente observados en el centro de las secciones; por consiguiente, disminuirán los fallas, el reemplazo de tubos y las paradas.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Horno (1) para realizar un proceso endotérmico que comprende tubos (2) que contienen un catalizador para convertir una alimentación gaseosa, en donde los tubos se colocan en filas dentro del horno, en donde los quemadores (3, 6) se montan entre los tubos y entre los tubos y las paredes del horno paralelas a las filas de tubos, y en donde las filas de quemadores (5) paralelas a las filas de tubos y las filas de tubos (9) con la dirección de las filas que se identifica como eje X se terminan mediante paredes finales (7), y con vigas de soporte que dividen las filas de tubos y quemadores en secciones (10, 12) siendo la distancia del quemador final (8a) a la pared final (7) B2W, siendo la distancia entre dos quemadores adyacentes de la sección B2B, y siendo la mitad de la distancia entre dos secciones B2S, caracterizado por que los quemadores de las filas se disponen de tal manera que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,3.

2. El horno de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,6 y preferiblemente mayores de 1,8.

3. El horno de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son iguales.

4. El horno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que los quemadores se montan en el techo del horno.

5. El horno de acuerdo con cualquiera las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por que los quemadores se montan en el suelo del horno y disparan verticalmente hacia arriba.

6. El horno de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes que es un horno de reformado de metano con vapor.

7. Un proceso endotérmico para realizar en un horno (1) que comprende tubos (2) y quemadores (3, 6), comprendiendo dicho proceso:

- introducir la alimentación gaseosa y el vapor en los tubos (2) que contienen un catalizador para convertir la alimentación gaseosa, en donde los tubos se colocan en filas (9) dentro del horno,

- quemar el combustible con aire en los quemadores (3, 6) que se montan entre los tubos y entre los tubos y las paredes del horno paralelas a las filas de tubos (2),

- descargar los productos generados en el extremo inferior de los tubos,

en donde las filas de quemadores (5) paralelas a las filas de tubos y las filas de tubos (9) con la dirección de las filas identificada como eje X se terminan mediante paredes finales, y con vigas de soporte que dividen las filas de tubos y quemadores en secciones siendo la distancia desde el quemador final a la pared final B2W, siendo la distancia entre dos quemadores adyacentes en la sección B2B, y siendo la mitad de la distancia entre dos secciones B2S, caracterizado por que los quemadores en las filas se disponen de tal manera que las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,3.

8. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 7 para el reformado de metano con vapor.

9. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 8, en donde las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son mayores de 1,6 y preferiblemente mayores de 1,8.

10. Un proceso de acuerdo con la reivindicación 9 en donde las relaciones B2B/B2W y B2B/B2S son iguales.

11. Un proceso de acuerdo con las reivindicaciones 7 a 10 en donde el horno es un horno de combustión superior.

12. Un proceso de acuerdo con las reivindicaciones 7 a 10 para ser realizado en un horno de combustión inferior.