ES2900640T3 - Sistema modulable para la generación de endogás con contenido en monóxido de carbono que puede establecerse - Google Patents

Abstract

Generador (100) de endogás para producir un flujo (Q) de una mezcla gaseosa endotérmica (endogás), opcionalmente con altos porcentajes de CO superiores al 20% en volumen, empezando a partir de una mezcla de reacción gaseosa que comprende aire + metano u otro hidrocarburo, usándose dicho flujo de endogás (Q) como alimentación de uno o más hornos para el tratamiento térmico de metales o sus aleaciones comprendiendo dicho generador (100) un reactor catalítico contenido dentro de una cámara (1) de calentamiento y que comprende al menos tres tubos (4) catalíticos dispuestos en paralelo unos con respecto a los otros en forma de un haz de tubos, teniendo cada uno de dichos tubos (4) catalíticos un diámetro interno menor de 100 mm y conteniendo, en una sección de tubo, un catalizador basado en óxidos de metales nobles para la oxidación parcial de dicha mezcla de aire-metano o cualquier otro hidrocarburo estando cada tubo (4) catalítico en comunicación de fluido con un tubo (5) de alimentación respectivo, externo a dicha cámara (1) calentada, para alimentar dicho tubo (4) catalítico con un flujo (Qi) respectivo estando cada uno de dichos tubos (5) de alimentación dotado de medios (6in) de regulación seleccionables respectivos adecuados para excluir, si se requiere, el flujo de alimentación respectivo (Qi) a dicho tubo (4) catalítico, para obtener un flujo global (Q) de endogás que sale del reactor catalítico que es menor con respecto a una velocidad de flujo global nominal previamente fijada (Qn) de endogás, comprendiendo además dicho generador (100) - al menos un intercambiador (7) de gas/aire para enfriar el endogás que sale de dicha cámara (1) de calentamiento, comprendiendo dicho intercambiador (7) uno o más tubos (11i) de enfriamiento en comunicación de fluido con dichos tubos (4) catalíticos, estando dicho generador (100) caracterizado porque comprende además un sistema (200) automatizado que comprende unidades (501; 502) de mezclado y de control, independientes una de otra, adecuadas para alimentar y controlar, por medio de dichos medios (6in) de regulación seleccionables, independientemente unos de otros, uno o más de dichos tubos (4) catalíticos con - uno o más flujos (12i) de reacción compuestos por aire + metano, con adición de CO2 suministrado por dicha unidad (502); y - uno o más flujos (13i) de regeneración de catalizador de los tubos (4) catalíticos no alimentados con dichos flujos (12i) de reacción, compuestos por una mezcla de CO2 + N2 pero también sólo por N2 para lavar/purgar durante el funcionamiento normal del generador, suministrados por dicha unidad (501), de tal manera que dicho generador (100) puede modularse simultáneamente tanto con respecto a la velocidad de flujo producida de endogás como opcionalmente también en cuanto al contenido en CO en el endogás producido y en cuanto al número de tubos (4) catalíticos que van a regenerarse.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema modulable para la generación de endogás con contenido en monóxido de carbono que puede establecerse La presente invención se refiere a una planta modulable para la producción de atmósfera controlada de endogás (es decir, gas endotérmico), con un porcentaje de monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H²) que puede establecerse por el usuario, para alimentar una pluralidad de hornos para tratamiento térmico de metales y sus aleaciones.

Más particularmente, la presente invención se refiere a una planta de este tipo que puede producir endogás usando un catalizador con una base de óxidos de metales nobles y una mezcla binaria con una base de aire y metano (u otro hidrocarburo), teniendo dicho endogás producido una composición volumétrica constante también a velocidades de alimentación reducidas hasta el 90% con respecto a la velocidad de flujo nominal de dicha planta.

Incluso más particularmente, la presente invención se refiere a una planta tal como se definió anteriormente en la que el porcentaje de monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H²) contenido en el endogás puede establecerse por el usuario según requisitos.

De hecho, dicha planta modulable puede producir endogás a porcentajes de CO o H² que están incluso aumentados con respecto a los generadores de endogás conocidos en la técnica, cuando la alimentación al reactor catalítico es una mezcla ternaria basada en aire, metano y dióxido de carbono (CO²).

Además, mediante el uso de una mezcla binaria de CO² y nitrógeno (N²), este sistema modulable puede realizar la regeneración del catalizador de las retortas de reacción que no están en funcionamiento durante el funcionamiento normal de la planta, por ejemplo cuando hay una demanda inferior de flujo de endogás que va a producirse.

El endogás (o gas endotérmico) es una mezcla de gases, también denominada “mezcla endotérmica” o “atmósfera controlada”, rica en CO, H² y N² , así como que contiene en menor grado H²O y CO² , que se usa como atmósfera protectora en tratamientos térmicos y/o de superficie de metales (con respecto a la oxidación) y como mezcla que puede conferir ciertas propiedades mecánicas al metal que se somete a tratamiento, por ejemplo en la carburación de superficie de piezas de acero destinadas a elementos mecánicos que deben combinar resistencia a la fatiga con dureza de superficie y resistencia al desgaste.

El endogás es el resultado de una reacción endotérmica de combustión incompleta entre aire y metano (u otro hidrocarburo), llevada a cabo en ausencia de oxígeno y en ausencia de agua/vapor, para formar sustancias reductoras tales como CO en detrimento de CO² (reacción también indicada como COPx) según la siguiente reacción (en el caso del uso de metano):

CH⁴ + / O ² + 1,89N² ^ CO 2 H² + 1,89N²

y normalmente tiene la siguiente composición volumétrica óptima (siempre en el caso del uso de metano):

N²=35-40% H²=40-45% CO=20-22,5% CO²=0,2-0,5%

donde un contenido final en CH⁴ preferiblemente de menos del 0,5% en volumen es un indicador de conversión máxima y de que se ha completado sustancialmente la reacción.

La composición óptima anterior es actualmente el resultado de una reacción llevada a cabo usando catalizadores basados en níquel específicos (es decir, óxidos de níquel hexahidratados, sobre un sustrato de alúmina), con razones molares entre aire y gas natural comprendidas entre 2,25/1 y 2,75/1, y a una temperatura comprendida entre 1000 y 1100°C, generalmente de aproximadamente 1050°C.

Dicho endogás se produce en plantas especiales y apropiadas denominadas “generadores de endogás”, formadas por una cámara de calentamiento que suministra calor a un reactor catalítico, colocado dentro de la misma. Dicho reactor está formado por una o dos “retortas” cilíndricas, en forma de un tubo simple o tubo en U, que contiene el catalizador, seguido por un intercambiador de calor, habitualmente de gas/agua, para enfriar rápidamente los productos de reacción para evitar que la reacción avance adicionalmente formando CO² en altas cantidades en detrimento de CO. A partir de dicho intercambiador, el endogás sale a una temperatura generalmente inferior a 150°C, preferiblemente inferior a 100°C.

Son preferibles temperaturas inferiores a 100°C con el fin de evitar el aislamiento/protección de los tubos afectados por el flujo, pero no tienen ninguna influencia sobre la composición de la mezcla producida.

Resulta importante para los fines de dimensionar el generador anteriormente mencionado la velocidad espacial del catalizador usado, que define la cantidad de gas que pasa por unidad de tiempo (Nm³/h) con respecto al volumen de catalizador (litros) y es inversamente proporcional al tiempo de permanencia del gas en el catalizador. Este parámetro permite el cálculo del volumen de catalizador necesario para tener la máxima eficiencia de conversión a la temperatura de funcionamiento del catalizador, de lo que depende obtener la composición óptima anteriormente mencionada.

La actividad de catalizadores basados en níquel no es muy alta, en particular la selectividad hacia H2 y CO está por debajo del 100% y la velocidad espacial (definida como la cantidad de endogás producido con composición óptima en la unidad de tiempo por la unidad de volumen de catalizador) es de menos de 4000 h-1, es decir menos de 4 Nm3/h de endogás producido por litro de catalizador. Dicho catalizador se presenta en forma de bolas y/o cubos con un diámetro aproximado de 18 mm y un lado de 18-25 mm, normalmente con un diámetro o lado que no supera 40 mm con el fin de reducir las caídas de presión y tener una superficie activa suficiente.

Una vez definido el volumen de catalizador requerido para producir una determinada cantidad por hora de endogás, se dimensiona en consecuencia el diámetro del reactor (retorta). Este diámetro es generalmente mayor de 100 mm en los generadores de endogás actuales, que adoptan una o dos “retortas” de reacción, para limitar el desarrollo de altura de la cámara de combustión y proporcionar un lecho catalítico suficiente (volumen de catalizador).

También hay generadores de endogás con tres retortas comercialmente disponibles, pero el diámetro de cada tubo es en cualquier caso mayor de 100 mm, de nuevo con el fin de limitar las dimensiones de altura de la cámara de calentamiento y de la cabeza del lecho catalítico que, si es excesiva, conducirá a contrapresiones que también impedirán el flujo de gases de reacción a las velocidades de flujo esperadas.

La desventaja de este tipo de generadores de endogás se encuentra en la escasa modularidad de la velocidad de flujo cuando tiene que reducirse considerablemente la producción con respecto a la nominal del dimensionamiento de la planta. De hecho, si la capacidad nominal (velocidad de flujo producida nominal) tiene que reducirse disminuyendo la velocidad de flujo, existe un riesgo de tener un flujo que no entra completamente en contacto con el catalizador dado que la masa de gas pierde fuerza de penetración en el catalizador (velocidad inferior en la retorta). De esta manera, no se aprovecha completamente el poder catalítico de la retorta de modo que no se logra la composición de endogás óptima.

Además, dado que la reacción es endotérmica, una reducción excesiva de la velocidad de flujo en la retorta expone posiblemente el catalizador al riesgo de excesos de temperatura localizados, dando como resultado un daño prematuro.

En algunas plantas conocidas con una retorta, la velocidad de flujo se reduce sin alterar la composición óptima del endogás proporcionando dos líneas de derivación, una en la alimentación de mezcla de aire/metano y la otra en el endogás producido.

Sin embargo, este tipo de sistema proporciona la disminución de la velocidad de flujo en un máximo del 30% porque disminuciones adicionales modifican de manera excesiva la velocidad y composición, dando como resultado una planta que no es muy modulable en cuanto a la productividad.

Se logra una reducción adicional de la velocidad de flujo, por ejemplo de aproximadamente el 50%, mediante algunas plantas conocidas, con una o dos retortas, que usan una bomba de velocidad variable o que hacen que funcione una retorta en vez de dos. Sin embargo, actualmente no se prevén reducciones por debajo del 50% de la velocidad de flujo nominal sin afectar a la composición.

Dado que la composición del endogás afecta a los rendimientos de tratamientos metalúrgicos, es importante mantener la composición óptima anteriormente mencionada a lo largo de toda la producción del mismo, incluso para velocidades de flujo muy inferiores a la nominal de la planta.

Con el fin de intentar superar este problema, se ha proporcionado un sistema modulable en la técnica formado por varios generadores montados en paralelo, cada uno con su propia retorta y sistema de alimentación apropiado, en el que un sistema de control automático centralizado gestiona la activación, desactivación o parcialización de las bombas de tal manera que cuando hay demanda de una alta velocidad de flujo se activan varios generadores, mientras que cuando hay una demanda de una velocidad de flujo inferior se desactivan varios generadores y/o se reduce la velocidad de bomba de uno o más generadores para cubrir el intervalo más amplio posible de velocidades de flujo.

Sin embargo, este sistema modular de generadores es muy caro y complejo de gestionar.

Además, en este tipo de generadores de la técnica anterior, con una o dos retortas, cuando el nivel de ensuciamiento (hollín) del catalizador es alto, es necesario detener la planta para sustituir la retorta o funcionar a la mitad de la capacidad nominal (en el caso de dos retortas) volviendo a los problemas de composición expresados anteriormente.

La solicitud de patente GB 2222 096 describe un sistema combinado de reformado con vapor y oxidación parcial que prevé una pluralidad de tubos en forma de un haz de tubos, que contienen un catalizador adecuado, en el que dichos tubos se alimentan mediante un único flujo en la entrada a dicho haz de tubos que tiene una presión superior a 50 barG, sin la posibilidad de excluir individualmente uno o más tubos que forman el haz de tubos.

La solicitud de patente EP 2851339 A1 a nombre del solicitante describe un generador de endogás que puede modularse en cuanto a la velocidad de flujo producida y alimentarse con una mezcla binaria de aire metano, que permite obtener una composición siempre constante, incluso a bajas velocidades de flujo. El contenido en Co alcanza el 20-22,5% (composición volumétrica) y el contenido en H2 alcanza el 40-45% (composición volumétrica). La publicación EP 2851 339 A1 da a conocer un sistema para la generación de endogás, en el que todos los tubos catalíticos se alimentan con una mezcla de aire/metano para la formación de endogás con un contenido en CO del 20-22,5%.

Sin embargo, algunos tratamientos específicos de metales y sus aleaciones, tales como por ejemplo carburación de superficie (o cementación) y carbo-nitruración (cementación con amoniaco añadido) pueden llevarse a cabo más eficazmente usando atmósferas controladas “enriquecidas”, es decir, con una concentración superior en volumen de CO y H² , por ejemplo que tienen un porcentaje de CO aumentado hasta el 26% en volumen y hasta el 52% en volumen en el caso de H².

Dichos tipos de atmósferas “enriquecidas” en CO y H² no pueden producirse en generadores de endogás conocidos porque en la reacción

CH⁴ + /O ² + 1,89N² ^ CO 2 H² + 1,89N²

los porcentajes de CO y H² no pueden aumentarse libremente debido al hecho de que el oxígeno disponible, procedente del aire, está en razón constante con el nitrógeno que, por tanto, actúa como diluyente.

Por tanto, actualmente dichos tipos de atmósfera enriquecida se producen directamente en la cámara caliente de los hornos a partir de nitrógeno y metanol, sin el uso de ningún generador de endogás. En la práctica, se alimenta una mezcla de alcohol metílico (puro o desnaturalizado) diluido con nitrógeno al interior de la cámara caliente del horno para el tratamiento de metales para provocar la pirólisis del metanol lo que permite obtener una composición volumétrica de más del 20% de CO, manteniendo una razón volumétrica de H²/CO indicativamente igual a 2 (dos). Sin embargo, la pirólisis del alcohol metílico directamente en el horno, que también es endotérmica, puede crear una falta de uniformidad de temperatura en la cámara de tratamiento, con consiguientes problemas en el control del ciclo de producción.

A la inversa, el endogás o el endogás con porcentajes aumentados de monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H²), que se produce de manera externa al horno, no conduce a esta clase de problema.

Debe observarse que los generadores de endogás conocidos usan preferiblemente metano y no otros hidrocarburos más ramificados (etano, propano, etc.) ya que la razón entre átomos de H y de C de dichos hidrocarburos gaseosos daría como resultado un endogás con una razón volumétrica de H²/CO inferior a 1,6. Esto resulta desventajoso ya que una concentración reducida de H² debido a la razón reducida de H²/CO anulará cualquier aumento de CO, dado que H² es un promotor de la cementación.

Por tanto, sería deseable producir directamente en un generador de endogás una atmósfera “enriquecida” en CO y H² con una razón volumétrica de H²/CO aproximadamente igual a 2 (dos) y, en cualquier caso, superior a 1,6, usando también hidrocarburos que estén más ramificados con respecto a metano (etano, propano, etc.).

Además, siempre es deseable tener un generador de endogás disponible en el que, en el caso de ensuciamiento de catalizador, sea posible proceder a su regeneración incluso durante el funcionamiento del generador con el fin de reducir los tiempos de parada de la planta y garantizar una producción de endogás con composición óptima, incluso a una velocidad de flujo reducida.

El objetivo de la presente invención es superar, al menos en parte, las desventajas de la técnica anterior proporcionando un generador de endogás que pueda modular, de una manera mejorada, la velocidad de flujo de endogás producido, garantizando al mismo tiempo la composición óptima del endogás a cualquier velocidad de flujo producida, también en el caso en el que es muy inferior a la velocidad de flujo nominal del generador (velocidad de flujo de endogás producido).

Un objetivo adicional de la presente invención es poder producir endogás que tenga el porcentaje de CO aumentado hasta el 26% en volumen y hasta el 52% en volumen en el caso de H² , manteniendo al mismo tiempo una razón volumétrica de H²/CO indicativamente igual a 2 y, en cualquier caso, superior a 1,6.

Un objetivo adicional es proporcionar un generador de este tipo que sea económico, fácil de gestionar y que, en el caso de ensuciamiento de catalizador, pueda regenerarse, también parcialmente, durante el funcionamiento sin afectar negativamente a la composición óptima de endogás debido a la disminución de la velocidad de flujo.

Estos y otros objetivos se logran mediante el generador de endogás y con el procedimiento según la invención que tienen las características indicadas en las reivindicaciones independientes 1 y 12 adjuntas, respectivamente.

Las reivindicaciones dependientes dan a conocer realizaciones ventajosas de la invención.

Un objeto de la presente invención se refiere a una planta con un generador de endogás para producir un flujo Q de una mezcla de gas endotérmico (endogás), que contiene opcionalmente altos porcentajes de Co superiores al 20% (en volumen), también hasta el 26%, empezando a partir de una mezcla de gas de reacción que comprende aire metano (u otro hidrocarburo, por ejemplo etano, propano, etc.). Dicho flujo Q de endogás está destinado a usarse para alimentar uno o más hornos para tratamiento térmico de metales y sus aleaciones.

A continuación en el presente documento, debe entenderse que cualquier referencia a metano solo también es aplicable a gas natural o a mezclas de hidrocarburos que contienen principalmente metano.

En este caso, se entiende que gas natural significa, en particular, una mezcla gaseosa producida mediante la descomposición anaerobia de material orgánico, compuesta principalmente por metano (normalmente >90% en volumen), que también contiene hidrocarburos gaseosos más pesados tales como etano (normalmente <5% en volumen), propano (normalmente <2% en volumen) y otros más ramificados en menores porcentajes. En dicha mezcla conocida como gas natural, siempre están presentes pequeños porcentajes de gases distintos de hidrocarburos, por ejemplo dióxido de carbono (CO² ), nitrógeno, oxígeno (en trazas), gases nobles y sulfuro de hidrógeno (H²S).

Ventajosamente, el presente generador de endogás es adecuado para la producción de aproximadamente 100 Nm³/h pero puede dimensionarse para una producción comprendida entre 50-200 Nm³/h.

El presente generador de endogás comprende un reactor catalítico que está contenido en el interior de una cámara calentada y está compuesto por al menos tres tubos catalíticos colocados en paralelo en forma de un haz de tubos, en el que cada uno de dichos tubos catalíticos contiene, al menos en una sección de tubo, un catalizador basado en óxidos de metales nobles mediante oxidación parcial de una mezcla de aire-metano (u otro hidrocarburo) o airemetano-dióxido de carbono (u otro hidrocarburo).

La cámara calentada es una cámara para el calentamiento del reactor ya que está colocada externamente alrededor del mismo y que suministra calor al reactor catalítico por medio de quemadores.

El catalizador usado en los tubos catalíticos es un catalizador para la oxidación parcial de mezclas de aire-metano (u otro hidrocarburo) o aire-metano-dióxido de carbono (u otro hidrocarburo) y está basado en óxidos de metales nobles con una velocidad espacial de más de 4000 h^-1.

El diámetro interno de cada uno de dichos tubos catalíticos es de menos de 100,0 mm y puede estar comprendido ventajosamente entre 50,0 y 99,9 mm.

Cada tubo catalítico está entonces en comunicación de fluido con un tubo de alimentación respectivo, externo a dicha cámara calentada, y se proporciona con el fin de alimentar a cada tubo catalítico un flujo respectivo Qi (velocidad de flujo en volumen), que es la velocidad de flujo de alimentación óptima para tener una velocidad en el catalizador tal como para hacer que sea lo más eficiente posible.

Cada tubo de alimentación está equipado entonces con medios de regulación seleccionables respectivos que están diseñados para excluir, si se requiere, el flujo de alimentación respectivo Qi para poder reducir el flujo de alimentación global Qi hacia los tubos catalíticos y, por tanto, la velocidad de flujo en volumen Q de endogás que sale del reactor, con respecto a una velocidad de flujo global nominal previamente establecida (Qn) de endogás correspondiente al funcionamiento de todos los tubos catalíticos.

Los medios de regulación seleccionables anteriormente mencionados pueden ser ventajosamente una válvula de cierre, preferiblemente de tres vías, en particular del tipo automático.

Dicho generador de endogás también comprende al menos un intercambiador de gas/aire para el enfriamiento del endogás que sale de dicho reactor catalítico.

El enfriamiento del endogás producido que sale de los tubos catalíticos es ventajosamente un enfriamiento rápido, y preferiblemente tal como para llevar rápidamente la temperatura del endogás por debajo de 100°C con el fin de evitar que la reacción avance adicionalmente formando CO² en altas cantidades.

En particular, dicho intercambiador de gas/aire proporciona al menos un tubo de enfriamiento en comunicación de fluido con al menos uno de dichos tubos catalíticos, preferiblemente con la totalidad de los al menos tres tubos catalíticos, aunque en general, incluso más ventajosamente, se proporciona una pluralidad de tubos de enfriamiento en un número generalmente igual al número de tubos catalíticos, en los que cada tubo de enfriamiento está en comunicación de fluido únicamente con un tubo catalítico respectivo.

También es posible proporcionar un número de intercambiadores de gas/aire igual o superior a tres, y más preferiblemente en un número igual al número de tubos catalíticos proporcionados en el reactor catalítico, teniendo cada intercambiador un número de tubos de enfriamiento superior o igual a 1.

La peculiaridad del generador de endogás según la invención es proporcionar un sistema de mezclado y control automatizado, aguas arriba del reactor catalítico, que comprende al menos dos unidades de mezclado que son independientes una de otra, al tiempo que se controla ambos medios de regulación seleccionables. De esta manera, es posible regular/controlar independientemente

- la alimentación a uno o más de dichos tubos catalíticos de uno o más flujos de reacción compuestos por aire metano, opcionalmente con adición de CO² ;

- y la alimentación de cualquier flujo de regeneración compuesto por CO²+N² de regeneración (pero también únicamente N² de lavado/purga).

De esta manera es posible obtener un generador que puede modularse en cuanto al flujo de endogás producido y en cuanto al contenido en CO relativo (% en volumen), así como en cuanto al número de tubos catalíticos en regeneración. Dichos parámetros pueden modularse al mismo tiempo.

De esta manera es posible evitar detener el generador para la regeneración o el lavado del catalizador ya que esto puede tener lugar en algunos tubos catalíticos durante el funcionamiento de los tubos restantes, produciendo endogás en una cantidad menor pero siempre con composición óptima, posiblemente también enriquecido en CO. De hecho, regulando parcialmente el generador con la desactivación de al menos una retorta, es posible restaurar las condiciones óptimas de la(s) retorta(s) desactivada(s) durante la producción al mismo tiempo que se garantiza la producción de endogás con composición óptima en la(s) retorta(s) restante(s).

Además, puede producirse endogás enriquecido en CO en el mismo generador.

En particular, el sistema de mezclado en el presente generador de endogás está diseñado para producir, alimentadas a dicho reactor catalítico, mezclas de

(A) aire reacción metano;

o

(B) aire metano CO² para la reacción de enriquecimiento;

y/o

(C) CO²+N² para la regeneración (pero también únicamente N² de lavado/purga) del catalizador.

Por tanto, en dicho generador los medios de regulación seleccionables, por ejemplo las válvulas de cierre, tienen la función de excluir de manera individual uno o más de los tubos para alimentar a los tubos catalíticos para obtener un flujo de alimentación global Q que es inferior con respecto a dicho flujo nominal Qn del generador, siendo dicho flujo global Q, en la práctica, la suma de los flujos individuales Qi en la entrada a cada tubo de alimentación de cada tubo catalítico, siendo posiblemente Qi una mezcla binaria de aire metano, una mezcla ternaria de aire metano CO², nitrógeno sólo o mezcla binaria de nitrógeno CO².

En este caso, se entiende que “endogás” significa una mezcla de gas, también denominada “mezcla endotérmica” o, más genéricamente, “atmósfera controlada”, que es el resultado de una reacción endotérmica de combustión incompleta entre aire y metano (u otro hidrocarburo), en ausencia de oxígeno y en ausencia de agua/vapor, para formar en altos porcentajes sustancias reductoras tales como CO en vez de CO².

Dicha mezcla de gas o endogás tiene normalmente la siguiente composición volumétrica óptima en el caso del uso de metano:

N²=35-40%, H²=40-45%, CO=20-22,5%, CO²=0,2-0,5%, con CH⁴ < 0,5% aproximadamente.

Dicha mezcla, que no contiene agua/vapor entre los componentes iniciales y finales, no debe identificarse con mezclas similares que contienen agua/vapor y que se derivan de procedimientos de reformado con vapor.

Por tanto, la peculiaridad del presente sistema con respecto a los conocidos para la producción de endogás se encuentra en el hecho de que cada tubo catalítico tiene un tubo de alimentación seleccionable respectivo y preferiblemente también un tubo de enfriamiento respectivo para definir un generador de endogás independiente, que es independiente del funcionamiento de los otros tubos catalíticos montados en paralelo y contenidos en el presente sistema. Gracias a las válvulas seleccionables, es posible alimentar o no cada tubo catalítico, al tiempo que se mantiene en la posición de funcionamiento dentro de la cámara de calentamiento, es decir sin retirarlo de la planta, ajustando por tanto el número de tubos catalíticos en funcionamiento en función de la velocidad de flujo de endogás requerida en la salida.

De esta manera, aunque el generador se alimente con una velocidad de flujo global inferior a la requerida para obtener una velocidad de flujo de endogás nominal, es posible tener la misma velocidad de flujo óptima en cada tubo catalítico obtenida a la velocidad de flujo nominal Qn.

Al mismo tiempo, dichas válvulas de cierre, normalmente del tipo de tres vías, permiten suministrar N² de lavado, opcionalmente con CO² en el caso de la regeneración del catalizador, a los tubos catalíticos excluidos de la producción del flujo global de endogás Q.

Válvulas de tres vías adicionales, ubicadas en la salida del intercambiador de calor, permiten la puesta en comunicación de fluido, con la línea de distribución de endogás de usuario, únicamente de los reactores catalíticos/intercambiadores en la producción de endogás.

A la inversa, los intercambiadores/reactores catalíticos que están lavándose con N² o en regeneración (con mezcla de N²+CO²), mediante las mismas válvulas, se conmutan a una línea de antorcha directa.

En resumen, el generador está compuesto por una pluralidad de tubos catalíticos, dispuestos en forma de un haz de tubos e insertados en la cámara de calentamiento en la que cada tubo catalítico constituye un elemento independiente de los otros tubos catalíticos.

De hecho, cada tubo catalítico está combinado con un módulo de intercambiador de calor de gas/aire correspondiente, compuesto por uno o más tubos de enfriamiento. Por tanto, usando la misma cámara de calentamiento, el mismo ventilador y el mismo conducto de suministro de aire de enfriamiento (en el que están contenidos los tubos de enfriamiento), se realiza una serie de submódulos de generación de endogás, cada uno compuesto por un tubo catalítico y tubo(s) de enfriamiento.

Cada módulo, si se inserta a través de las válvulas de cierre, contribuye a lograr la velocidad de flujo global nominal Qn de endogás.

El presente generador, usando metano como hidrocarburo de reacción y añadiendo CO² , permite la producción de endogás con el porcentaje de CO aumentado hasta el 26% en volumen y hasta el 52% en el caso de H², manteniendo al mismo tiempo una razón de H²/CO volumétrica indicativamente igual a 2 (dos) y, en cualquier caso, por encima de 1,6.

Para obtener este resultado, la presente invención usa, en asociación con la reacción endotérmica de oxidación parcial del metano anteriormente indicada, la reacción de reformado en seco del metano (que tiene lugar a las mismas temperaturas de oxidación parcial) en la que se obtiene una mezcla con el 50% (en volumen) de CO y el 50% de H²:

CH⁴ + CO² ^ CO 2 H²

De hecho, el solicitante ha encontrado que el presente catalizador con una base de metales nobles también es adecuado para catalizar la reacción de reformado en seco anteriormente mencionada.

Este resultado de enriquecimiento se obtiene mediante un algoritmo de cálculo que gestiona las velocidades de flujo según esta lógica básica:

- establecer un punto de referencia de velocidad de flujo de endogás Q en la salida del generador (que depende de la demanda de endogás aguas abajo del generador);

- establecer un punto de referencia de porcentaje de CO en la velocidad de flujo de endogás Q en la salida del generador;

- establecer puntos de referencia de razones en volumen de aire/metano mínima y máxima que pueden usarse por la planta (intervalo de funcionamiento permitido). Las razones en volumen de aire/metano, mínima y máxima, que pueden usarse en el presente generador de endogás con un tamaño tal como se definió anteriormente (200 Nm³/h de endogás como máximo) están comprendidas, por ejemplo, entre 2,25/1 y 2,975/1.

- establecer un punto de referencia de valor inicial de la razón en volumen de aire/metano.

- establecer un punto de referencia de valor de milivoltios de O² (usado con la planta con ajuste de razón automático). El dispositivo de medición está colocado en la salida del sistema (línea 21 en la figura 2) y permite elegir la razón de aire/metano adecuada para tener el porcentaje deseado de CO² residual en el endogás producido. - calcular las velocidades de flujo de metano, aire y CO² necesarios para obtener la concentración de CO deseada, equilibrando, en el caso del uso de metano, las siguientes reacciones

CH⁴ + /O ² + 1,89N² ^ CO 2 H² + 1,89N²

y

CH⁴ + CO² ^ 2CO 2 H²

en el caso de una reacción de enriquecimiento en CO.

- medir el valor de milivoltios de O² por medio de una sonda Lambda (sonda de oxígeno) o del valor de porcentaje de CO² y CH⁴ residual por medio de un analizador de infrarrojos: el punto de muestreo está colocado preferiblemente en la salida de la planta (en la línea 21 en la figura 2).

- reducir la razón volumétrica de aire/metano y volver a calcular por consiguiente las velocidades de flujo de metano, aire y CO² si los milivoltios de O² son inferiores al punto de referencia (establecimiento automático) o si un instrumento externo al generador, tal como por ejemplo un analizador de infrarrojos (establecimiento manual), detecta un porcentaje de CO² superior al deseado; o

- aumentar la razón volumétrica de aire/metano y volver a calcular por consiguiente las velocidades de flujo de metano, aire y CO² si los milivoltios de O² son superiores al punto de referencia (establecimiento automático) o si un instrumento externo al generador, tal como por ejemplo un analizador de infrarrojos (establecimiento manual), detecta un porcentaje de CO² inferior al deseado.

- repetir el ciclo de cálculo y regulación (regulación en realimentación).

Una peculiaridad adicional de la presente planta de endogás con respecto a las de producción de endogás conocidas consiste en el hecho de que, mediante el uso de CO² y nitrógeno (N²), también puede llevar a cabo la regeneración o el lavado del catalizador en retortas de reacción no alimentadas con mezcla binaria (A) (aire metano) o mezcla ternaria (B) (aire metano CO²) durante el funcionamiento normal de la planta.

Más particularmente, con el generador de la invención, se lleva a cabo la producción de un flujo de endogás Q, en la que se alimentan uno o más de dichos tubos catalíticos, independientemente unos de otros:

- con un flujo de una mezcla de aire y metano, opcionalmente con la adición de CO² , para la producción de dicho endogás; o

- con un flujo de una mezcla de CO² y N² para la regeneración de dichos tubos catalíticos o con un flujo de lavado con N² de los mismos tubos catalíticos,

para permitir continuar la producción de endogás en uno o más tubos catalíticos del generador de la invención, también durante la fase de regeneración o de lavado de los tubos catalíticos restantes en un estado de no estar en funcionamiento con respecto a la producción de endogás.

En este caso, la lógica de control proporciona:

- Activación o de otro modo de la función de regeneración o de lavado del catalizador.

- Verificación del número de retortas no usadas para la producción de endogás, independientemente del porcentaje de CO establecido.

- Activación de una o más válvulas de suministro de CO² en función del número de retortas no usadas.

- Suministro del CO² en dilución a N² de lavado a las retortas no usadas para la producción de endogás.

- Repetición del ciclo de cálculo y regulación (regulación en realimentación).

Los catalizadores usados en este caso son los basados en óxidos de metales nobles (platino, oro, plata, rodio, iridio, paladio, osmio, rutenio) proporcionados para los procedimientos de oxidación catalítica parcial que tienen una alta eficiencia catalítica (conversión de aproximadamente el 100%) y están dotados de velocidades espaciales generalmente superiores a 4.000 h-1, preferiblemente iguales o superiores a 10.000 h-1, más preferiblemente del orden de al menos 15.000 h-1, tal como por ejemplo los basados en renio o rodio, paladio, platino o mezclas de los mismos en cantidades generalmente de desde el 0,1% hasta el 10% en peso y soportados.

Un ejemplo de estos catalizadores está representado por un catalizador basado en renio, en una cantidad de entre el 0,1% y el 10% en peso, que también contiene un segundo metal noble elegido de platino, rodio, iridio, rutenio y paladio, soportado sobre alúmina. Las características distintivas del presente generador con respecto a los conocidos son muchas.

En primer lugar, el uso de nuevos catalizadores con una mayor velocidad espacial implica el uso de una menor cantidad de catalizador con la misma cantidad de endogás producido, gracias a la mayor actividad de superficie, restringiendo por tanto las dimensiones de la planta con respecto a las conocidas con la misma cantidad de endogás producido; en segundo lugar, es posible reducir el diámetro de la retorta sin tener una altura excesiva con las consiguientes posibles contrapresiones excesivas debido al hecho de que el número de retortas proporcionadas es de tal manera que se forma un haz de tubos de retortas con diámetro reducido.

Al tener los tubos de las retortas de la presente planta una sección reducida, la reacción entre metano (u otro hidrocarburo) y aire se produce de manera homogénea a lo largo de toda la sección horizontal del tubo dado que no hay ningún gradiente de temperatura en dicha sección. De hecho, el solicitante ha encontrado que, con tubos que tienen un diámetro nominal igual o inferior a 100 mm, el gradiente de temperatura entre el tubo interior y el tubo exterior es prácticamente nulo y la temperatura en el centro del tubo (núcleo) está más alineada con la temperatura en la proximidad de la superficie del tubo expuesta a las llamas del quemador. Esto determina necesariamente una mayor uniformidad de temperatura a lo largo de todo el lecho catalítico permitiendo obtener la misma composición óptima a partir de la reacción que tiene lugar en la proximidad de la superficie del tubo y a partir de la que tiene lugar en el centro del tubo.

Independientemente de si se usa CO2 o no, las razones en volumen entre aire y metano usadas en este caso están preferiblemente comprendidas entre 2,25/1 y 2,75/1. En el caso de uso de gas natural, puede usarse de manera conveniente la razón molar de entre 2,50/1 y 2,975/1. La temperatura de reacción (también en el caso de reformado en seco) está comprendida entre 1000 y 1100°C, generalmente es de aproximadamente 1050°C.

Debe entenderse que, en el presente generador de endogás, es posible sustituir aire ambiental por oxígeno en una mezcla con otros gases o por aire enriquecido con oxígeno o por oxígeno puro, sin por ello alejarse del objeto de la presente invención.

Debe observarse que, en cada tubo, el catalizador ocupa únicamente una sección, preferiblemente la sección final, con respecto a la longitud del tubo catalítico contenido en la cámara de calentamiento, de modo que la sección libre restante constituye una cámara para el calentamiento previo de la mezcla de aire-metano (u otro hidrocarburo). A la vista del pequeño diámetro de los tubos anteriormente mencionados, la mezcla de aire-metano (u otro hidrocarburo) se calienta rápidamente de manera satisfactoria en la sección libre de cada tubo catalítico, entrando por tanto en la sección catalítica ventajosamente ya a la temperatura de reacción con una clara ventaja en cuanto al rendimiento. Características adicionales de la invención resultarán más evidentes mediante la siguiente descripción detallada, haciendo referencia a una realización meramente a modo de ejemplo no limitativo, ilustrada en los dibujos adjuntos, en los que:

la figura 1 es un diagrama de bloques de funcionamiento;

la figura 2 ilustra, en una sección parcialmente interrumpida, el generador de endogás con respecto al reactor catalítico y enfriador con tubos relativos;

la figura 3 es una representación esquemática desde arriba del generador de la presente invención;

la figura 4 es una sección vertical, tomada a lo largo de la línea IV-IV del reactor de la figura 3.

El diagrama de la figura 1 muestra la cámara 1 de calentamiento cilíndrica, adecuadamente aislada (por ejemplo mediante el uso de material refractario o fibras cerámicas ecológicas), dentro de la cual están colocados una pluralidad de quemadores 2 (figuras 2, 3 y 4).

Dichos quemadores 2 calientan preferiblemente una segunda cámara 3 cilíndrica, que está colocada dentro de la cámara 1 y en la zona central de dicha cámara 1, mediante contacto directo con la llama de cada quemador colocado tangencialmente con respecto a dicha cámara 3 cilíndrica.

Dentro de dicha cámara 3 cilindrica están alojados los tubos 4 catalíticos (figuras 2, 3 y 4) tal como se describe en detalle a continuación en el presente documento.

La planta 100 de endogás según la invención proporciona, aguas arriba de la cámara 1 de calentamiento, un sistema de mezclado, ilustrado en el recuadro en líneas discontinuas en la figura 1 y designado en su conjunto mediante el número de referencia 200, que está compuesto por una serie de unidades de mezclado independientes unas de otras tal como se describirá en detalle a continuación en el presente documento.

En particular, una primera unidad de mezclado del sistema 200 de mezclado proporciona una unidad 501 de control de mezclado y regulación alimentada con nitrógeno y opcionalmente también con CO² , para producir:

- una mezcla de N²+CO² de regeneración que tiene una composición adecuada según la concentración de CO² previamente establecida;

o

- un flujo simple de N² de lavado.

En las tuberías de nitrógeno y en las tuberías de CO² , en la entrada a dicha primera unidad 501 de control, se proporcionan ventajosamente, de manera respectiva, un filtro 60 para retener las posibles impurezas en el flujo de nitrógeno y un filtro 61 para retener las posibles impurezas en el flujo de CO².

Entonces, dicha primera unidad 501 de control alimenta a un colector 13 correspondiente a partir del cual se ramifican tantos tubos 13i (figura 2) como tubos 5 (figura 2) hay para alimentar los tubos 4 catalíticos (figura 2). Entre cada tubo 13i que se ramifica a partir del colector 13 y el tubo 5 de alimentación correspondiente, que están en comunicación de fluido entre sí, está montada una válvula 6in de cierre correspondiente (figura 2).

Por tanto, un flujo respectivo de N² o mezcla de N² + CO² pasará a través de cada tubo 13i según si la función de regeneración (o lavado) del catalizador está activada o de otra manera.

Por tanto, a través de dichos tubos 13i y dichos tubos 5 de alimentación es posible alimentar dichos tubos catalíticos o retortas 4 independientemente gracias a las válvulas 6in de cierre relativas, alimentándose cada tubo 4 catalítico a través del tubo 13i, tubo 5 de alimentación y válvula 6in de cierre relativa correspondientes.

La segunda unidad de mezclado proporciona una segunda unidad 502 de mezclado y de regulación alimentada con aire y metano, y opcionalmente también con CO² , en el caso en el que tiene que obtenerse un endogás enriquecido con CO.

Es preferible que dicho aire sea el de la salida de un enfriador tal como se explicará en detalle a continuación en el presente documento.

Por tanto, según el porcentaje de monóxido de carbono (CO) y/o hidrógeno (H²) establecido por el usuario para el endogás y la velocidad de flujo de endogás Q requerida, es posible producir una mezcla de:

(A) aire metano (mezcla de reacción)

o

(B) aire metano CO² (mezcla de reacción),

teniendo cada mezcla una composición apropiada (% en volumen).

Entonces, dicha unidad 502 alimenta a un colector 12 correspondiente a partir del cual se ramifican tantos tubos 12i (figura 2) como tubos 5 hay para alimentar los tubos 4 catalíticos.

Por tanto, con dichos tubos 12i también es posible alimentar dichos tubos catalíticos o retortas 4, gracias al hecho de que están en comunicación de fluido con los tubos 5 de alimentación respectivos por medio de las válvulas 6in de cierre correspondientes tal como se definió anteriormente.

Por tanto, una mezcla binaria de metano-aire o una mezcla ternaria de metano-aire-CO² con diferentes composiciones, dependiendo del/de los porcentaje(s) de CO y/o hidrógeno (H²) establecidos por el usuario en función del valor de milivoltios de O² medido por medio de una sonda Lambda o sonda de oxígeno, puede fluir dentro del colector 12.

Por tanto, dichos tubos catalíticos o retortas 4 pueden alimentarse independientemente unos de otros, cada uno a través del tubo 5 de alimentación correspondiente que está en comunicación de fluido con la válvula 6in correspondiente, a su vez en comunicación de fluido con el tubo 12i respectivo que sale del colector 12 (que contiene aire metano y posiblemente también CO²).

Ventajosamente, dichas válvulas 6in permiten excluir de manera individual los tubos 4 catalíticos, con el fin de parcializar el flujo total de gas sin cambiar significativamente la velocidad de paso del gas sobre el catalizador con respecto al flujo de gas nominal, tal como se explicará en detalle a continuación en el presente documento.

Por tanto, los medios 6in de regulación seleccionables, que están ventajosamente en forma de válvulas de tres vías automáticas, se alimentan, de manera alternativa, mediante dicha unidad 501 de mezclado y de control o mediante dicha unidad 502 de control y de regulación.

Dicho sistema 200 de mezclado/regulación según la invención también comprende, preferiblemente, una tercera unidad 503 de mezclado y de regulación (figura 1) dedicada a obtener una mezcla binaria de aire metano para la combustión de quemadores 2 tal como se describirá a continuación en el presente documento.

En este caso, el aire usado es el que sale del intercambiador 7 para recuperar el calor a partir del aire de enfriamiento y producir un ahorro de metano de combustible.

Dichas unidades 501, 502, 503 de control pueden realizarse de diferentes maneras, dentro del alcance del experto en la técnica, con el fin de lograr el objetivo de tener, en las diversas líneas 12i y 13i de flujo, mezclas con las composiciones deseadas.

La figura 2 ilustra con más detalle, y en sección, la zona de la planta de endogás relacionada con el reactor catalítico y un enfriador 7.

Dentro de dicha cámara 3 cilíndrica interna está ventajosamente colocada una pluralidad de tubos catalíticos, o retortas 4, que están colocados en paralelo unos con respecto a otros y no en comunicación de fluido entre sí. Dichas retortas 4 están preferiblemente en un número superior a tres.

Dicha cámara 3 interna y dichos tubos 4 catalíticos juntos constituyen el reactor catalítico propiamente dicho contenido dentro de la cámara 1 de calentamiento.

Cada tubo 4 catalítico se alimenta mediante un tubo 5 de alimentación respectivo que a su vez se alimenta mediante un tubo procedente del colector 12 o mediante un tubo a partir del colector 13. Después, en cada tubo 5 se proporciona una válvula 6in de cierre de tres vías que regula el flujo de entrada en dicho tubo 5 del flujo del tubo procedente del colector 12 o del flujo del tubo procedente del colector 13.

De esta manera es posible enviar al reactor catalítico relevante una mezcla de metano-aire-CO² o mezcla de metano-aire, o N²-CO² o N² sólo, según las diferentes necesidades.

En vez de una válvula de tres vías, es posible proporcionar dos válvulas de dos vías instaladas de manera adecuada en la entrada del tubo 5 en las conexiones relativas de las dos líneas 12i y 13i procedentes de los dos colectores 12 y 13.

El gas producido por cada tubo 4 catalítico se enfría entonces por medio de al menos un intercambiador 7 de calor de gas/aire cuya construcción permite mantener los flujos de gas en la salida de los tubos 4 catalíticos independientes unos de otros, tal como se explicará en detalle a continuación en el presente documento.

Dicho intercambiador 7 de calor está en forma de un conducto, está colocado fuera de la cámara 1 de calentamiento y contiene en su interior una pluralidad de tubos 11 i de enfriamiento, cada uno en comunicación de fluido exclusivamente con el tubo 4 catalítico relativo.

Dicho intercambiador 7 de calor usa como elemento de enfriamiento aire (cuyo flujo se indica en la figura 2 por medio de flechas), filtrado de manera adecuada mediante un filtro 64 (figura 1) y aspirado mediante un ventilador 9 colocado en el conducto 8a de aspiración del aire 8 de enfriamiento.

Cada tubo 11 i de enfriamiento está a su vez en comunicación de fluido con un tubo 20i de salida de endogás respectivo en el que está montada una válvula 6out de cierre respectiva.

Cada válvula 6out es preferiblemente una válvula de tres vías, conectada a su vez, en un lado, a un tubo 21 i de uso de endogás y, en el otro lado, a un tubo 22i de escape de seguridad.

De esta manera, es posible enviar el flujo de salida de cada tubo 4 catalítico

- a un tubo 22 de escape de seguridad o antorcha (por ejemplo, dotado de un quemador de piloto o de un dispositivo piezoeléctrico) al interior del cual fluyen todos los tubos 22i de seguridad;

o

- a un tubo 21 de uso de la mezcla de endogás producida, al interior del cual fluyen todos los tubos 21i de uso. En otra realización, dicho intercambiador 7 de calor puede contener únicamente un tubo 11 de enfriamiento asociado con un tubo 4 catalítico respectivo de modo que el número de intercambiadores 7 es igual al número de tubos 4 catalíticos proporcionados en el presente sistema.

También es posible agrupar los tubos 11 de enfriamiento, por ejemplo los seis tubos mostrados en la figura 2, en tres intercambiadores 7 de calor de gas/aire (y por tanto en tres conductos 8 de aspiración de aire de enfriamiento), en paralelo unos con respecto a otros, sirviendo cada intercambiador 7 a un par de tubos 4 de reacción. Esta disposición es particularmente ventajosa en condiciones de funcionar a velocidades parciales dado que es posible excluir uno de los intercambiadores, mejorando las especificaciones de energía.

También es posible proporcionar varios intercambiadores 7 que van a alimentarse, en paralelo, por un flujo de aire de enfriamiento que fluye dentro de un único conducto 8.

Cada tubo 11 de enfriamiento también puede realizarse entonces como un haz de tubos para aumentar la eficiencia del sistema de enfriamiento que consiste en el intercambiador 7 que contiene los tubos 11 de enfriamiento. La función del haz de tubos es no sólo la de aumentar la eficiencia del sistema aumentando las superficies de reacción o intercambio, sino también tener un generador 100 cuya velocidad de flujo total Q es el resultado de una serie de haces de tubos independientes, cada uno de los cuales proporciona su propia contribución para lograr la velocidad de flujo total.

El aire de enfriamiento en la salida del intercambiador 7 fluye al interior de un tubo 70 a partir del cual se ramifican tres líneas 71a, 71b, 71c (figura 1), en el que:

- la línea 71a transporta el flujo de aire en la salida del enfriador 7, o parte del mismo, a la unidad 503 de mezclado que alimenta la mezcla de aire metano a los quemadores 2 de la cámara 1 de calentamiento para recuperar la mayor parte del calor;

- la línea 71b dirige el flujo de aire en la salida del enfriador 7, o parte del mismo, a la unidad 502 de mezclado que alimenta la mezcla de aire metano al colector 12 para recuperar calor para la reacción de producción de endogás; - la línea 71c transporta el flujo, o parte del mismo, al escape hacia el entorno exterior.

Cada válvula 6in se controla junto con la válvula 6out correspondiente, creando un conjunto para el que, si se alimenta un módulo 4 de retorta catalítica-tubo 7 de enfriamiento con mezcla de metano-aire-CO2 o metano-aire, la mezcla producida se envía a los servicios 21 públicos (a través de las tuberías 21i respectivas) y si el mismo módulo se alimenta con N2-CO2 o N2, los gases producidos se envían al escape en la antorcha 22 a través de la tubería 22i respectiva.

En este generador, según la presente invención, ventajosamente no hay ningún contacto directo entre la llama (calentamiento) que toca la cámara 3 interna y los gases que reaccionan dentro de los tubos 4 catalíticos, que, por tanto, se calientan por convección y radiación.

Los humos de combustión, tras haber transferido su calor a la cámara 3 interna y después a los tubos 4 catalíticos, se descargan generalmente a partir de la parte superior de la cámara 1 de calentamiento (figura 2).

Se entiende que es posible proporcionar la descarga de humos de combustión también en una posición diferente de la planta sin por ello alejarse del objeto de la presente invención.

Los quemadores 2 están dispuestos generalmente de una manera opuesta con respecto a dicha cámara 3 cilíndrica interna para formar uno o más grupos de quemadores 2, proporcionando cada grupo de dichos quemadores 2 una serie de quemadores 2 verticalmente alineados unos con respecto a otros (figura 1 y figura 3). Esta disposición permite el calentamiento uniforme de toda la superficie externa de dicha cámara 3 interna que contiene dichas retortas 4.

Cada uno de dichos quemadores 2 puede alimentarse por separado y de manera independiente o dichos quemadores 2 pueden alimentarse en grupos a través de uno o más colectores (sistema de combustión y colectores no ilustrados en los dibujos). De esta manera es posible modular el calentamiento según el número de tubos 4 catalíticos alimentados y, por tanto, en función de la velocidad de flujo total en funcionamiento.

Se entiende que es posible proporcionar también el uso de un único quemador 2 sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.

Dichos reactores catalíticos tubulares o retortas 4 tienen, cada uno, un diámetro interno menor de 100,0 mm, comprendido entre 50,0 y 99,9 mm.

En los dibujos, dichas retortas 4 se muestran en total en un número de seis, aunque esto no es vinculante para los fines de la presente invención.

Cada tubo 4 catalítico está parcialmente llenado con una cantidad apropiada de un catalizador específico para endogás basado en óxidos de metales nobles.

Este tipo de catalizador, más activo con respecto a los basados en níquel, permite una velocidad espacial superior (en cuanto a velocidad de flujo en volumen de gas/catalizador por hora), generalmente mayor de 4.000 h-1, preferiblemente igual o superior a 10.000 h-1, más preferiblemente del orden de al menos 15.000 h-1 (es decir al menos 15 Nm3/h de gas reformado por litro de catalizador). En este caso, el tamaño es normalmente en bolas de pequeño diámetro comprendido entre 2,5 y 5 mm, para tener un área de superficie específica alta y bajas caídas de presión.

Se entiende que también es posible proporcionar el uso de una velocidad espacial inferior a 10.000 h-1 (es decir, inferior a 10 Nm3/h de gas reformado por litro de catalizador) con este tipo de catalizador basado en óxidos de metales nobles sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.

También se entiende que también es posible producir el presente generador usando catalizadores basados en níquel, en lugar de los basados en óxidos de metales nobles, renunciando a las ventajas dimensionales que se derivan de la mayor actividad catalítica de estos últimos, sin por ello alejarse del alcance de la presente invención. Dichos tubos 4 catalíticos están colocados dentro de la cámara 3 interna de una manera sustancialmente circular en forma de un haz de tubos (figura 2 y figura 3) de modo que pueden irradiarse todos ellos por la cámara 3 interna de una manera homogénea unos con respecto a otros durante su alimentación simultánea.

De esta manera, la reacción entre metano (u otro hidrocarburo) y aire puede tener lugar de una manera más homogénea a lo largo de toda la sección de paso de flujo en el tubo 4 catalítico porque la temperatura de núcleo está más alineada con la temperatura en la proximidad de la superficie del tubo 4 catalítico considerando que los presentes tubos o retortas 4 tienen una sección menor con respecto a reactores conocidos.

Debe observarse que, en este sistema de tubos en haz de tubos, en el que el flujo de alimentación global Q es la suma de los flujos Qi en la entrada de cada tubo 5 de alimentación, la reducción de la velocidad de flujo total excluyendo uno o más tubos 5 garantiza que la velocidad óptima en cada uno de los tubos 4 catalíticos restantes permanece inalterada.

En la práctica, el hecho de que las válvulas 6in de tres vías excluyen de manera individual uno o más de dichos tubos 5 de alimentación significa que hay un flujo global Q en la salida del generador 100 que es inferior al flujo nominal Qn para el que se ha dimensionado el generador, siendo dicho flujo global en funcionamiento Q la suma de los flujos Qi en cada tubo 4 que está en funcionamiento.

Se entiende que es posible realizar el sistema de tal manera que se gestionan los tubos 5 de alimentación y los tubos 4 catalíticos relativos gestionándolos no individualmente, sino, por ejemplo, por parejas o grupos de tres, para simplificar la planta, reduciendo el número de válvulas 6in y 6out, sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.

Por tanto, esta planta 100 con seis tubos o retortas 4 puede producir endogás con composición óptima constante incluso a velocidades de flujo de alimentación reducidas en un 90% con respecto a la velocidad de flujo nominal, ventajosamente comprendida dentro del intervalo de 50-200 Nm3/h.

La realización de un reactor catalítico de oxidación parcial mediante el uso de una pluralidad de tubos 4 catalíticos de pequeño diámetro, dispuestos en paralelo unos con respecto a otros a modo de un haz de tubos, en una cámara 1 de calentamiento, y seleccionables de manera individual, también permite ventajosamente la exclusión de uno o más tubos 4 catalíticos que debe encontrarse que no funcionan en cuanto a la composición del gas producido, sin poner significativamente en peligro la velocidad de flujo total generada (reducción de aproximadamente el 30% de la velocidad de flujo nominal normalmente aceptable también en sistemas conocidos con una retorta).

Además, la exclusión de cinco de los seis tubos 4 catalíticos permite obtener una composición óptima del endogás con una velocidad de flujo reducida en un 83% con respecto a la velocidad de flujo nominal, una reducción que normalmente no puede obtenerse en la técnica con plantas con una o dos retortas.

Debe observarse que la posibilidad de reducir la velocidad de flujo de endogás significativamente con respecto a la nominal permite tanto un ahorro en cuanto a costes de funcionamiento como la regeneración de módulos no activos durante periodos transitorios en los que se demanda de la planta una velocidad de flujo inferior a la nominal Qn, al menos 1/6, en el caso de un sistema de seis módulos. Esto permite poner la planta en condiciones óptimas cuando se vuelva a necesitar, evitando paradas dedicadas a la regeneración de catalizador.

Puede llevarse a cabo un control de las condiciones de funcionamiento de cada tubo 4 catalítico controlando la presión de alimentación, cuyo valor depende de las caídas de presión del sistema y, por consiguiente, del nivel de ensuciamiento (hollín) del catalizador.

Además, con el generador 100 que tiene varios tubos 4 de reacción, es posible sustituir sólo aquellos tubos de reacción que se encuentre que están dañados, reduciendo los costes de mantenimiento.

De la misma manera, es posible sustituir el catalizador únicamente en tubos catalíticos o retortas 4 que se encuentra que tienen una composición no conforme, reduciendo los costes de mantenimiento. El presente generador 100 de endogás puede montarse ventajosamente en un patín y formar una planta o máquina de instalación automática que se conecta directamente a los servicios públicos del usuario (electricidad, aire, gas, etc.), sin ningún trabajo de montaje técnico específico, para estar listo para usarse (listo para funcionar).

El presente generador 100 también proporciona un panel 10 eléctrico a bordo de la máquina para el suministro de potencia eléctrica de las máquinas eléctricas necesarias para su funcionamiento (ventilador 9, válvulas 6in y 6out, sonda Lambda, etc.).

El ventilador 9 es un ventilador de alta velocidad de flujo (por ejemplo > 5000 mc/h) que mueve el aire en el conducto 8 enfriando los gases producidos en cuanto salen del catalizador ubicado en la parte inferior de la cámara 1 de calentamiento.

Cada quemador 2 puede alimentarse ventajosamente con aire aspirado en la salida del conducto del intercambiador 7, en la que la temperatura es superior, con el fin de lograr una recuperación de energía tal como se describió anteriormente con respecto a la unidad 503 de mezclado que alimenta la mezcla de aire metano a los quemadores 2 (figura 1).

Además, el aire de alimentación del colector de metano-aire-CO² , en comunicación de fluido con la válvulas 6in, por tanto con los tubos 5 de alimentación y los tubos 4 de reacción, puede aspirarse ventajosamente a partir del conducto del intercambiador 7, realizando una recuperación de energía adicional, tal como ya se describió anteriormente con respecto a la unidad 502 de control de mezclado que alimenta la mezcla de aire metano al reactor catalítico que comprende los tubos 4 catalíticos (figura 2).

Dado que dicho generador es el resultado de una serie de submódulos (seis en el caso de lo que se muestra en las figuras 1-3 en las que hay seis tubos 4 catalíticos y seis módulos de enfriamiento respectivos compuestos por uno o más tubos 11 i), haciendo variar el número, y adaptando la parte de calentamiento y enfriamiento, es posible realizar tamaños en el intervalo de 50-200 Nm3/h de endogás producidos haciendo variar el número de tubos 4 catalíticos y filas correspondientes en el intercambiador 7 para enfriamiento.

Dado que cada tubo 4 catalítico está dimensionado para producir ventajosamente 15 - 20 mc/h de endogás, la planta de 100 mc/h proporciona 6 módulos y una planta de 200 mc/h proporciona 12 módulos. Asimismo, el número de módulos 11 de enfriamiento del intercambiador 7 está directamente vinculado al número de tubos 4 catalíticos. Debe observarse que, en generadores de endogás conocidos, el enfriamiento se lleva a cabo ventajosamente con agua y no con aire. En el presente sistema, es posible usar aire, en vez de agua, de una manera eficiente gracias al sobredimensionamiento del intercambiador 7 y del conducto 8 de aspiración de aire.

A diferencia de las soluciones conocidas, el tipo de construcción según la presente invención permite enfriar el endogás producido inmediatamente en la salida de la cámara de calentamiento sin la interposición de componentes adicionales que limiten la eficiencia del sistema ya que la primera sección de tubo enfriará más lentamente con respecto a lo que tiene lugar en la presente invención.

En esta realización específica descrita anteriormente con referencia a los dibujos, el generador de endogás es un sistema de tipo de arriba abajo, es decir con la alimentación de la mezcla de reacción entrando por la parte superior del reactor catalítico y el endogás saliendo por la parte inferior del reactor catalítico. Sin embargo, se entiende que esta realización no limita el objeto de la presente invención y que puede ser posible usar alimentación de la mezcla de reacción por la parte inferior y una salida del endogás por la parte superior, sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.

También debe observarse que el enfriamiento con aire-gas en el presente sistema se ha ilustrado como equicorriente aunque, sin embargo, puede llevarse a cabo a contracorriente sin alejarse del alcance de la presente invención.

La mezcla endotérmica producida mediante el presente generador 100 se usa como atmósfera protectora en tratamientos térmicos y/o de superficie de metales (con respecto a la oxidación) y como mezcla que puede conferir ciertas propiedades mecánicas al metal sometido al tratamiento, por ejemplo en la carburación de superficie de piezas de acero destinadas a elementos mecánicos que deben combinar resistencia a la fatiga con dureza de superficie y resistencia al desgaste.

La presente invención no se limita a las realizaciones particulares anteriormente descritas e ilustradas en los dibujos adjuntos, sino que pueden realizarse numerosos cambios de detalles en las mismas, dentro del alcance del experto en la técnica, sin por ello alejarse del alcance de la propia invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (14)

1. REIVINDICACIONES

   i. Generador (100) de endogás para producir un flujo (Q) de una mezcla gaseosa endotérmica (endogás), opcionalmente con altos porcentajes de CO superiores al 20% en volumen, empezando a partir de una mezcla de reacción gaseosa que comprende aire metano u otro hidrocarburo, usándose dicho flujo de endogás (Q) como alimentación de uno o más hornos para el tratamiento térmico de metales o sus aleaciones

   comprendiendo dicho generador (100)

   un reactor catalítico contenido dentro de una cámara (1) de calentamiento y que comprende al menos tres tubos (4) catalíticos dispuestos en paralelo unos con respecto a los otros en forma de un haz de tubos, teniendo cada uno de dichos tubos (4) catalíticos un diámetro interno menor de 100 mm y conteniendo, en una sección de tubo, un catalizador basado en óxidos de metales nobles para la oxidación parcial de dicha mezcla de aire-metano o cualquier otro hidrocarburo

   estando cada tubo (4) catalítico en comunicación de fluido con un tubo (5) de alimentación respectivo, externo a dicha cámara (1) calentada, para alimentar dicho tubo (4) catalítico con un flujo (Qi) respectivo estando cada uno de dichos tubos (5) de alimentación dotado de medios (6in) de regulación seleccionables respectivos adecuados para excluir, si se requiere, el flujo de alimentación respectivo (Qi) a dicho tubo (4) catalítico, para obtener un flujo global (Q) de endogás que sale del reactor catalítico que es menor con respecto a una velocidad de flujo global nominal previamente fijada (Qn) de endogás,

   comprendiendo además dicho generador (100)

   - al menos un intercambiador (7) de gas/aire para enfriar el endogás que sale de dicha cámara (1) de calentamiento,

   comprendiendo dicho intercambiador (7) uno o más tubos (11i) de enfriamiento en comunicación de fluido con dichos tubos (4) catalíticos,

   estando dicho generador (100) caracterizado porque comprende además un sistema (200) automatizado que comprende unidades (501; 502) de mezclado y de control, independientes una de otra, adecuadas para alimentar y controlar, por medio de dichos medios (6in) de regulación seleccionables, independientemente unos de otros, uno o más de dichos tubos (4) catalíticos con

   - uno o más flujos (12i) de reacción compuestos por aire metano, con adición de CO2 suministrado por dicha unidad (502); y

   - uno o más flujos (13i) de regeneración de catalizador de los tubos (4) catalíticos no alimentados con dichos flujos (12i) de reacción, compuestos por una mezcla de CO2 N2 pero también sólo por N2 para lavar/purgar durante el funcionamiento normal del generador, suministrados por dicha unidad (501), de tal manera que dicho generador (100) puede modularse simultáneamente tanto con respecto a la velocidad de flujo producida de endogás como opcionalmente también en cuanto al contenido en CO en el endogás producido y en cuanto al número de tubos (4) catalíticos que van a regenerarse.
2. 2. Generador (100) según la reivindicación 1, en el que dicha cámara (1) de calentamiento cilíndrica comprende de manera interna una pluralidad de quemadores (2) para calentar directamente con llama una cámara (3) interna que contiene dichos tubos (4) catalíticos.
3. 3. Generador (100) según la reivindicación 1 ó 2, en el que el uno o más flujos (12i) de reacción de mezcla de aire metano, con adición de CO2, se ramifican a partir de un colector (12) y convergen, cada uno, en los medios (6in) de regulación seleccionables respectivos colocados aguas arriba del tubo (5) de alimentación correspondiente.
4. 4. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el uno o más flujos (13i) de regeneración de N2, opcionalmente con adición de CO2, se ramifican a partir de un colector (13) y convergen, cada uno, en los medios (6in) de regulación seleccionables respectivos colocados aguas arriba del tubo (5) de alimentación correspondiente.
5. 5. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en forma de un sistema o máquina de instalación automática, montado en un patín y adecuado para conectarse directamente a los servicios públicos del usuario.
6. 6. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichos medios (6in) de regulación seleccionables están en forma de válvulas de tres vías automáticas y se accionan de manera alternativa mediante dicha unidad (501) de mezclado y de control o mediante dicha unidad (502) de mezclado y de control.
7. 7. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho sistema (200) de mezclado/regulación comprende además una tercera unidad (503) de mezclado y de regulación de una mezcla binaria de aire metano para la combustión de quemadores alojados en la cámara (1) de calentamiento para calentar dichos tubos (4) catalíticos.
8. 8. Generador (100) según la reivindicación 1, en el que dicho intercambiador (7) de gas/aire está constituido por al menos un primer conducto dentro del cual están colocados una pluralidad de tubos (11 i) de enfriamiento, en paralelo entre sí, en un número igual al número de dichos tubos (4) catalíticos, siendo dichos tubos (11 i) de enfriamiento preferiblemente con aletas.
9. 9. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además al menos un conducto (8) para la entrada de aire para el enfriamiento de dicho endogás, estando dicho conducto (8) en comunicación de fluido con uno o más de dichos intercambiadores (7) de calor de gas/aire.
10. 10. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además medios (9) para el movimiento del aire de enfriamiento, preferiblemente en forma de un ventilador.
11. 11. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador usado está basado en renio y/o un metal noble seleccionado de platino, rodio, iridio, rutenio y paladio, soportado sobre alúmina.
12. 12. Método para la producción de un flujo (Q) de una mezcla gaseosa endotérmica (endogás) que usa el generador según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque uno o más de dichos tubos catalíticos se alimentan, independientemente unos de otros, con:

    - un flujo de una mezcla de aire/metano, opcionalmente con adición de CO² , para la producción de dicho endogás, o

    - un flujo de una mezcla de CO²/N² o N² , para la regeneración o el lavado respectivamente de dichos tubos catalíticos,

    para permitir continuar la producción de endogás con uno o más tubos catalíticos de dicho generador, también durante las fases de regeneración o de lavado de los tubos catalíticos restantes que no participan en la producción de endogás.
13. 13. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque se proporcionan las siguientes etapas:

    - activar la función de regeneración o de lavado del catalizador;

    - verificar el número de retortas no usadas para la producción de endogás, independientemente del porcentaje de CO establecido;

    - activar una o más válvulas de suministro de CO² en función del número de retortas no usadas;

    - suministrar CO² en dilución para lavar N² hacia las retortas no usadas para la producción de endogás; - repetir el ciclo de cálculo y regulación (regulación de realimentación).
14. 14. Método según la reivindicación 12, caracterizado porque, en asociación con la reacción endotérmica de oxidación parcial del metano, se lleva a cabo la reacción de reformado en seco del metano a las mismas temperaturas de oxidación parcial.