ES2914044T3 - Reactor calentado eléctricamente y un proceso de conversión de gas mediante el uso de dicho reactor - Google Patents

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Abstract

Una configuración de reactor que comprende al menos un horno calentado eléctricamente que define un espacio, con al menos un tubo de reactor colocado dentro del espacio del horno y dicho tubo de reactor que tiene una salida y una entrada fuera del horno del reactor, y en donde dicho horno se proporciona además con - al menos un elemento de calentamiento eléctrico por radiación apto para calentar a altas temperaturas en el intervalo de 400 a 1400 °C, dicho elemento de calentamiento que se ubica dentro de dicho horno de manera que el elemento de calentamiento no está en contacto directo con el al menos un tubo del reactor; y - un número de puertos de inspección en la pared del horno para poder inspeccionar visualmente el estado del al menos un tubo del reactor en todos los lados de dicho tubo del reactor durante la operación, siendo suficiente el número total de puertos de inspección para inspeccionar todos los tubos del reactor presentes en el horno en toda su longitud y circunferencia; y en donde la carga térmica del horno es de al menos 3 MW.

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor calentado eléctricamente y un proceso de conversión de gas mediante el uso de dicho reactor
Campo de la invención
La presente invención se refiere a una configuración de reactor que comprende al menos un horno calentado eléctricamente y a un método para realizar un proceso de conversión de gas a altas temperaturas, que comprende introducir al menos un reactivo gaseoso en dicha configuración de reactor. El reactor y el método son útiles en muchas tecnologías de calentamiento y conversión de gas a alta temperatura a escala industrial.
Antecedentes de la invención
Los problemas con el calentamiento global y la necesidad de reducir la huella de carbono del mundo ocupan actualmente un lugar destacado en la agenda política. De hecho, resolver el problema del calentamiento global se considera el desafío más importante que enfrenta la humanidad en el siglo x X i. La capacidad del sistema terrestre para absorber las emisiones de gases de efecto invernadero ya está agotada y, según el acuerdo climático de París, las emisiones actuales deben detenerse por completo hasta alrededor de 2070. Para realizar estas reducciones, se necesita al menos una reestructuración seria de la industria, alejándola de los portadores energéticos convencionales que producen CO2. Esta descarbonización del sistema energético requiere una transición energética que se aleje de los combustibles fósiles convencionales como el petróleo, el gas natural y el carbón. Una implementación oportuna para la transición energética requiere múltiples enfoques en paralelo. Por ejemplo, la conservación de energía y las mejoras en la eficiencia energética juegan un papel, pero también los esfuerzos para electrificar el transporte y los procesos industriales. Después de un período de transición, se espera que la producción de energía renovable constituya la mayor parte de la producción mundial de energía, que en su mayor parte consistirá en electricidad.
Dado que los costos de energía renovable ya son bajos en ciertas regiones del mundo, las tecnologías que usan reactores e instalaciones calentados eléctricamente pueden ser atractivas para reemplazar los reactores calentados por hidrocarburos convencionales y las operaciones de calentamiento de alto rendimiento. Los precios previstos de la energía y los costes del CO2 aumentarán aún más el atractivo económico de estos reactores.
La electricidad es el grado más alto de energía disponible. A la hora de diseñar un proceso industrial eficiente, que convierta la energía eléctrica en energía química, se pueden considerar varias opciones. Estas opciones son electroquímicas, plasmas fríos, plasmas calientes o térmicamente. En entornos de laboratorio a pequeña escala, el calentamiento eléctrico ya se está aplicando para muchos tipos de procesos. Sin embargo, cuando se consideran las opciones para diseñar tecnologías químicas (de conversión) a escala industrial, como la conversión de gas, cada una de esas opciones presenta ciertas complejidades y requisitos materiales. Este es especialmente el caso cuando los procesos de conversión química son altamente endotérmicos, ya que el flujo de calor requerido y los niveles de temperatura son altos. En la industria existe la necesidad de tecnologías de electrificación que sean adecuadas para reacciones químicas endotérmicas y tecnologías de calentamiento a escala industrial.
El documento US2016288074 describe un horno para reformar con vapor una corriente de alimentación que contiene hidrocarburo, preferentemente metano, que tiene: una cámara de combustión, una pluralidad de tubos del reactor dispuestos en la cámara de combustión para acomodar un catalizador y para pasar la corriente de alimentación a través de los tubos del reactor, y al menos un quemador que se configura para quemar un combustible de combustión en la cámara de combustión para calentar los tubos del reactor. Además, se proporciona al menos una fuente de voltaje que se conecta a la pluralidad de tubos del reactor de manera que en cada caso se puede generar una corriente eléctrica que calienta los tubos del reactor para calentar la materia prima en los tubos del reactor.
El documento US2017106360 describe cómo se pueden controlar las reacciones endotérmicas de una manera verdaderamente isotérmica con una entrada de calor externa aplicada directamente a la superficie del catalizador sólido y no por medios indirectos externos al material catalítico real. Esta fuente de calor se puede suministrar de manera uniforme e isotérmica a los sitios activos del catalizador únicamente por conducción mediante el uso de calentamiento por resistencia eléctrica del propio material catalítico o por un elemento de calentamiento por resistencia eléctrica con el material catalítico activo recubriendo directamente la superficie. Al emplear solo la conducción como modo de transferencia de calor a los sitios catalíticos, se evitan los modos no uniformes de radiación y convección, lo que permite que tenga lugar una reacción química isotérmica uniforme.
Los enfoques de la técnica anterior tienen sus desafíos y capacidades únicos y/o se basan en combinar el calentamiento por combustión con el calentamiento eléctrico lineal. Por lo tanto, todavía se necesitan más y otras opciones para la tecnología de calentamiento eléctrica que, por ejemplo, se puedan aplicar a reacciones químicas a gran escala.
La presente descripción proporciona una solución a dicha necesidad. Esta descripción se relaciona con las tecnologías de conversión de gas electrificado a escala industrial, que logran altas eficiencias de proceso y son relativamente simples con un costo total bajo.
Resumen de la invención
En consecuencia, la presente descripción se refiere a una configuración de reactor que comprende al menos un horno calentado eléctricamente que define un espacio, con al menos un tubo de reactor colocado dentro del espacio del horno y dicho tubo de reactor que tiene una salida y una entrada fuera del horno del reactor, y en donde dicho horno se proporciona además con
- al menos un elemento de calentamiento eléctrico por radiación apto para calentar (el elemento de calentamiento) a altas temperaturas en el intervalo de 400 a 1400 °C, dicho elemento de calentamiento se ubica dentro de dicho horno de manera que el elemento de calentamiento no está en contacto directo con el al menos un tubo de reactor; y
- un número de puertos de inspección en la pared del horno para poder inspeccionar visualmente el estado del al menos un tubo del reactor en todas las partes de dicho tubo del reactor durante la operación, siendo suficiente el número total de puertos de inspección para inspeccionar todos los tubos del reactor presentes en el horno en toda su longitud y circunferencia; y en donde la carga térmica del horno es de al menos 3 MW. El proceso que se calienta eléctricamente exige un flujo de calor y un perfil de temperatura. En muchas aplicaciones, el flujo de calor es mayor cuando el flujo del proceso ingresa al horno mientras tiene una temperatura más baja. Hacia la salida, el flujo de calor es menor mientras que la temperatura es más alta. La presente invención puede adaptarse a este requisito.
Además, la presente descripción se refiere a un método para realizar un proceso de conversión de gas a altas temperaturas, que comprende introducir al menos un reactivo gaseoso en la configuración del reactor descrita anteriormente, calentar eléctricamente el al menos un elemento de calentamiento a una temperatura en el intervalo de 400 - 1400 °C, preferentemente de 500 a 1200 °C, incluso más preferentemente de 600 a 1100 °C, y realizando la conversión de gas a alta temperatura mientras se inspecciona (regularmente) el(los) tubo(s) del reactor a través de los puertos de inspección.
Descripción detallada de la descripción
Se pueden considerar varias opciones de calentamiento para reemplazar el calentamiento a gas a escala industrial por calentamiento eléctrica.
De acuerdo con la presente descripción, la configuración del reactor comprende elementos eléctricos de calentamiento por radiación para calentar el tubo del reactor. Por lo tanto, el calor generado eléctricamente se transfiere predominantemente por medio de radiación.
El término configuración de reactor, tal como se usa en la presente descripción, debe entenderse que comprende cualquier instalación industrial adecuada para reacciones a escala industrial y calentamiento de procesos y, en consecuencia, debe entenderse que el término tubo de reactor comprende cualquier recipiente en el que (una) sustancia(s) es(son) calentada(s) a alta temperatura.
El calentamiento por radiación se describe mediante la ley de radiación de Stefan-Boltzmann. Los cálculos del primer principio basados en la ley de Stefan-Boltzmann sugieren que se requiere una temperatura del elemento de calentamiento de 1065 °C para transferir 120 kW.irr2 de energía térmica a un tubo del reactor a 950 °C. Sin embargo, el mecanismo real de transferencia de calor es mucho más complicado, ya que no solo se aplica la radiación directa. Esto se muestra esquemáticamente en la Figura 1. Primero hay radiación directa desde los elementos de calentamiento a los tubos del reactor. Un segundo cuerpo radiante es la pared de cara caliente del horno. A su vez, la pared de la cara caliente se calienta por la radiación de los elementos de calentamiento eléctrico. El tercer mecanismo de transferencia de calor ocurre por medio de convección (natural). Los gases en el horno se elevan cerca de los elementos de calentamiento y caen cerca del tubo del reactor. El cuarto mecanismo de transferencia de calor ocurre a través de la radiación de los gases calentados en el horno. Su contribución relativamente pequeña depende de la atmósfera gaseosa seleccionada.
Están disponibles varias opciones para proporcionar calor eléctrico a un proceso y se pueden considerar de acuerdo con la presente descripción. Por ejemplo, procesos más desafiantes con flujo de dos fases y/o servicio de coquización.
Ahora se ha encontrado que se puede proporcionar una forma particularmente adecuada de calentamiento por radiación eléctrica cuando el al menos un elemento de calentamiento por radiación es un elemento de calentamiento basado en resistencia. El calentamiento por resistencia eléctrica es un método bien conocido para convertir energía eléctrica en calor. Esta tecnología se usa en muchas otras aplicaciones industriales. El calentamiento por resistencia a alta temperatura (> 1000 °C) se usa, por ejemplo, en la industria del vidrio, la industria del metal y muchas instalaciones de laboratorio. Cuando se considera un sistema aislado, la conversión de energía en calor por medio de calentamiento por resistencia es casi 100 % eficiente. El calentamiento por resistencia se realiza mediante el "efecto Joule". La primera ley de Joule establece que la potencia de calentamiento generada por un conductor eléctrico es proporcional al producto de su resistencia y el cuadrado de la corriente (I2 R, donde I es la corriente y R es la resistencia).
Existen muchos tipos diferentes de elementos de calentamiento de resistencia eléctrica, cada uno con su propósito de aplicación específico. Para la presente aplicación, deben alcanzarse temperaturas razonablemente altas para las que están disponibles varias tecnologías. Como ejemplo, la tecnología de alambre con aislamiento mineral se puede usar para ciertas aplicaciones, sin embargo, su uso es limitado. En la presente configuración de reactor, ventajosamente al menos un elemento de calentamiento eléctrico comprende elementos de calentamiento por resistencia basados en NiCr, SiC, MoSÍ2 o FeCrAl.
Los elementos de calentamiento de níquel-cromo (NiCr) se usan en muchos hornos industriales y electrodomésticos. El material es robusto y reparable (soldable), disponible a costos medios y en varios grados. Sin embargo, el uso de NiCr está limitado por una temperatura máxima de funcionamiento de ~1100 °C, teniendo en cuenta la vida útil de los elementos de calentamiento.
Otra opción para usar en la configuración del reactor y la aplicación a alta temperatura de la presente descripción son los elementos de calentamiento de carburo de silicio (SiC). Los elementos de calentamiento de SiC pueden alcanzar temperaturas de hasta ~1600 °C y pueden tener diámetros grandes (disponibles comercialmente hasta 55 mm) lo que permite un alto rendimiento de calentamiento por elemento. Además, los costes de los elementos de calentamiento de SiC son relativamente bajos.
Una modalidad preferida del elemento de calentamiento eléctrico en la configuración del reactor de esta descripción comprende elementos de calentamiento por resistencia basados en MoSÍ2 o FeCrAl.
Los elementos de disiliciuro de molibdeno (MoSÍ2) tienen la capacidad de resistir la oxidación a altas temperaturas. Esto se debe a la formación de una fina capa de vidrio de cuarzo en la superficie. Se necesita una atmósfera ligeramente oxidante (> 200 ppm O2) para mantener la capa protectora sobre los elementos. A temperaturas de ~1200 °C, el material se vuelve dúctil y frágil por debajo de esta temperatura. Después de haber estado en funcionamiento, los elementos se vuelven muy frágiles en condiciones de frío y, por lo tanto, se dañan fácilmente. Los elementos de calentamiento MoSÍ2 están disponibles en varios grados. El grado más alto puede operar a 1850 °C, lo que permite su uso en una amplia gama de procesos de conversión de gas a alta temperatura. La resistividad eléctrica de los elementos es función de la temperatura. Sin embargo, la resistencia de estos elementos no cambia debido al envejecimiento. Solo se produce una ligera reducción de la resistencia durante el primer período de uso. En consecuencia, los elementos defectuosos se pueden reemplazar sin tener impacto en los otros elementos conectados cuando se instalan en serie. Una ventaja de los elementos MoSÍ2 es la alta carga superficial de hasta 35 W.cirr2.
El elemento de calentamiento eléctrico de mayor preferencia en esta descripción es FeCrAl (Fecralloy). El cable de resistencia FeCrAl es una tecnología de calentamiento robusta. El servicio se puede controlar por medio de un control de encendido/apagado relativamente 'simple'. Teóricamente, se pueden aplicar altos voltajes para entregar el servicio de calentamiento. Sin embargo, esto no se aplica comúnmente ya que impone una carga adicional a los interruptores eléctricos y requiere un material refractario adecuado para proporcionar suficiente aislamiento eléctrico. Los elementos de calentamiento de Fecralloy tienen una vida útil y propiedades de rendimiento favorables. Es capaz de operar a temperaturas relativamente altas (hasta ~1300 °C) y tiene una buena carga superficial (~5 W.cirr2). Preferentemente, los elementos de calentamiento de Fecralloy se usan en una atmósfera oxidante (> 200 ppm O2) para mantener una capa protectora de AhO3 sobre los elementos.
Los elementos de calentamiento pueden tener diferentes tipos de apariencias y formas, como alambres redondos, alambres planos, alambres torcidos, tiras, varillas, varilla sobre banda, etc. El experto en la materia comprenderá fácilmente que la forma y apariencia de los elementos de calentamiento no está particularmente limitado y como estará familiarizado con la selección de las dimensiones adecuadas, esto no se trata en detalle aquí.
La temperatura más alta que se puede lograr en la configuración del reactor de la presente descripción está limitada principalmente por el tipo de elementos de calentamiento que se usa. Para las reacciones para las que se realiza la presente configuración del reactor, la temperatura es de 400 a 1400 °C, preferentemente de 500 a 1200 °C, incluso más preferentemente de 600 a 1100 °C.
Un reactor de conversión de gas convencional, como, por ejemplo, pero sin limitarse a, un reformador de metano con vapor (SMR), usa quemadores de gas para suministrar la energía térmica endotérmica requerida para realizar la reacción de conversión de gas endotérmica. Existen múltiples configuraciones de reactores de quemador, tales como encendido superior, inferior y lateral. El suministro de calor por medio de calentamiento eléctrica es lo más parecido a una configuración de quemador de encendido lateral. La configuración de encendido lateral es, en general, la configuración más deseable, ya que el flujo de calor hacia los tubos del reactor se puede controlar de manera más uniforme a lo largo de la longitud del tubo del reactor. Sin embargo, esta configuración de quemador de encendido lateral no se aplica ampliamente en la práctica ya que tiene varias desventajas. En el caso del calentamiento a gas, la configuración lateral requiere muchos quemadores y el control del flujo de calor da como resultado una mayor complejidad del control de la combustión. El flujo de calor en la presente descripción se define como el flujo de energía por unidad de área por unidad de tiempo (en SI sus unidades son vatios por metro cuadrado (W/m2).
Cuando se usa calentamiento eléctrico, las desventajas antes mencionadas del calentamiento lateral por gas ya no están presentes y se pueden lograr las ventajas del proceso de tener un control de trabajo más preciso sobre la longitud del tubo del reactor. Por ejemplo, se pueden lograr temperaturas de salida más altas, mejorando de esta manera la conversión. El tamaño del horno es el resultado del flujo de calor especificado en el tubo del reactor y la carga superficial de los elementos de calentamiento (W/m2), en combinación con las temperaturas requeridas para la transferencia de calor por radiación.
La configuración del reactor de acuerdo con la presente descripción se puede escalar hasta la escala industrial requerida. Los tamaños de los tubos de los reactores convencionales usados en los reactores de conversión de gas a escala industrial son del orden de 120-140 mm de diámetro exterior y 12 metros de longitud. A pesar de que se pueden aplicar muchas configuraciones diferentes de tubos de proceso para satisfacer las necesidades del proceso. Para el calentamiento eléctrico, dada la mayor capacidad de control de los flujos de calor y la optimización de la temperatura de la configuración del tubo del reactor, se puede esperar, es decir, resulta en un diseño más compacto. De esta manera, adecuadamente, en la presente configuración de reactor, el tamaño de un tubo de reactor es al menos similar al tamaño de tubo de reactor convencional. Para muchas reacciones de conversión de gases industriales, preferentemente, la configuración del reactor comprende al menos un horno de reactor que comprende diez o más tubos de reactor, adecuadamente del tamaño convencional. Es deseable tener tantos tubos de reactor encerrados en un horno como sea posible en la práctica. El número de elementos de calentamiento depende del flujo de calor requerido, las temperaturas requeridas, las propiedades del material de los tubos del reactor y las propiedades del material de los elementos de calentamiento, y del tamaño de los mismos. Los elementos de calentamiento se colocan a lo largo de los tubos del reactor de manera que los tubos del reactor se calientan esencialmente en toda su longitud, excluyendo solo la entrada y la salida según sea necesario. Adecuadamente, el número de elementos de calentamiento en la configuración del reactor de esta descripción es diez o más.
Cuando está en funcionamiento, se desarrolla un flujo de calor diferenciado y un perfil de temperatura a lo largo de la altura/longitud del horno. Para controlar las temperaturas en diferentes secciones del horno y lograr un perfil de flujo de calor sobre la superficie de los tubos del reactor, el horno consta preferentemente de al menos dos zonas de calentamiento a lo largo de la altura/longitud del horno, donde cada zona de calentamiento tiene su propia unidad de control de potencia. Esto permite modificar los flujos de calor en las diferentes zonas de calentamiento, en donde cada una de las zonas tener un flujo de calor diferente. Especialmente, el horno del reactor en la presente configuración del reactor comprende al menos cuatro zonas de calentamiento (ver, por ejemplo, la Figura 3). En particular, el horno del reactor en la presente configuración del reactor comprende tantas zonas de calentamiento como sea posible en la práctica para permitir un flujo de calor y un perfil de temperatura completamente controlados. En una modalidad preferida, la presente configuración del reactor comprende al menos doce zonas de calentamiento.
La configuración del reactor de acuerdo con la presente descripción comprende al menos un horno de reactor. Para obtener la capacidad total de la unidad del reactor, se pueden aplicar una multitud de hornos de reactor. El número depende de factores como el volumen del reactor requerido, el tamaño del horno, el número de tubos del reactor, etcétera. El tipo de horno puede seleccionarse según sea apropiado, y las disposiciones de calentamiento de este pueden seleccionarse según sea apropiado, como el uso de paredes divisorias y columnas de calentamiento. Un diseño de horno preferido para su uso de acuerdo con la presente descripción es un horno de cámara, que permite el uso más eficiente del espacio a escala industrial.
El servicio de calentamiento se define como: el producto del flujo de calor (Oq) en la superficie y el área de superficie receptora (relevante) (A). Por ejemplo, la carga de calentamiento de un horno con un flujo de calor de Oq = 120 kW/m2 y un área receptora de A = 30 m2 es de 3,6 MW. La carga de calentamiento del horno de la configuración del reactor de la presente descripción es de al menos 3 megavatios (MW). En la configuración del reactor de la presente descripción, el área superficial receptora relevante es el área superficial del tubo (o recipiente) del reactor. La carga de calentamiento preferida es de al menos 10 MW, y más preferentemente de al menos 30 MW. A escala industrial, el servicio de calentamiento puede ser tan alto como varios gigavatios (GW), por ejemplo, 5 o 10 GW, en total, lo que requiere múltiples unidades de horno, cada una con un servicio de calentamiento de, por ejemplo, 500 MW.
La configuración del reactor de acuerdo con la presente descripción se proporciona con puertos de inspección en la pared del horno para poder inspeccionar visualmente el estado del al menos un tubo del reactor en todos los lados de dicho tubo del reactor durante la operación, siendo el número total de puertos de inspección suficiente para inspeccionar todos los tubos del reactor presentes en el horno en toda su longitud y circunferencia. Esto se logra preferentemente mediante el uso de técnicas de medición de radiación infrarroja (por ejemplo, pirómetro) a partir de las cuales se pueden hacer visibles con mayor precisión los puntos calientes. Dichos puertos se configuran como un pequeño camino abierto a través de la pared del horno. Cada abertura de este tipo está provista de una escotilla que cierra el puerto en caso de que no se use.
En una modalidad preferida de la presente descripción, la configuración del reactor comprende una combinación de algunas o todas las características preferidas diferentes. En consecuencia, la configuración del reactor comprende preferentemente al menos diez hornos calentados eléctricamente, cada uno de los cuales define un espacio, y dentro de cada espacio al menos diez tubos del reactor, teniendo cada uno de dichos tubos del reactor una salida y una entrada fuera del horno del reactor, cada uno de dichos tubos hornos que además se proporcionan con - diez o más elementos eléctricos de calentamiento por radiación adecuados para calentar a altas temperaturas en el intervalo de 400 a 1400 °C, dispuestos en al menos cuatro zonas de calentamiento, donde cada zona de calentamiento tiene su propia unidad de control de potencia; y
- una serie de puertos de inspección en la pared del horno para poder inspeccionar visualmente el estado del al menos un tubo del reactor en cada lado opuesto de dicho tubo del reactor durante la operación con el uso de técnicas de medición de radiación infrarroja (por ejemplo, pirómetro), el número total de puertos de inspección es suficiente para inspeccionar todos los tubos del reactor presentes en el horno en toda su longitud y circunferencia; y
en donde la carga de calentamiento del horno es de al menos 30 MW.
La configuración del reactor de acuerdo con la presente descripción permite una integración rentable a gran escala de energía renovable en reacciones de conversión química a escala industrial y otras tecnologías de calentamiento industrial, por ejemplo, en tecnologías de conversión de gas y destilación de crudo, y puede resultar en una reducción significativa de la producción de CO2, e incluso consumo de CO2. En una modalidad preferida, la configuración del reactor de acuerdo con esta descripción se proporciona con una conexión de suministro de energía a una fuente renovable para suministrar al menos parte de la energía requerida para el calentamiento eléctrico. Por ejemplo, el reactor se puede aplicar como una unidad de proceso de reformado de metano con vapor calentado eléctricamente para la producción de hidrógeno, como se usa en las tecnologías de conversión de gas a líquido (GTL). El proceso de reformado de metano con vapor (SMR) requiere un flujo de calor de ~ 120 kW/m2 (intervalo 70 - 140 kW/m2) para proporcionar la energía térmica para la reacción endotérmica que tiene lugar a un nivel de temperatura de aproximadamente 600 a aproximadamente 1100 °C, el límite superior es gobernando por la temperatura máxima que puede soportar el metal de los tubos del reactor. En la Figura 2 se muestran los esquemas para SMR/HMU (reformador de metano con vapor/unidad de fabricación de hidrógeno) alimentados con gas convencional.
Por lo tanto, la presente descripción también se relaciona con un método para realizar un proceso de conversión de gas a altas temperaturas, que comprende introducir al menos un reactivo gaseoso en una configuración de reactor como se describió anteriormente, calentar eléctricamente al menos un elemento de calentamiento a una temperatura en el intervalo de 400 - 1400 °C, preferentemente de 500 a 1200 °C, incluso más preferentemente de 600 a 1100 °C, y realizando la conversión de gas a alta temperatura mientras se inspecciona (regularmente) el tubo del reactor mediante la vista en el tubo del reactor. La temperatura depende de la temperatura requerida para la reacción de conversión química y el tipo de elementos de calentamiento usados.
Preferentemente, el método comprende controlar las temperaturas/flujos de calor en diferentes secciones del horno del reactor, en donde el horno del reactor comprende al menos dos zonas de calentamiento, en donde cada zona de calentamiento tiene su propia unidad de control de potencia que se regula para lograr un perfil de flujo de calor sobre la superficie del al menos un tubo del reactor.
En una modalidad preferida, el proceso y la configuración del reactor de la presente descripción se usan para producir un gas de síntesis por medio de reformado de metano con vapor, reformado de CO2 seco, desplazamiento inverso de agua-gas o una combinación de los mismos. En consecuencia, un método preferido es realizar un proceso de conversión de gas que comprende producir un gas de síntesis por medio de reformado de metano con vapor, reformado de CO2 seco, cambio inverso de agua-gas o una combinación de los mismos, que comprende las etapas de:
i. Proporcionar hidrocarburos y vapor y/o CO2 a la configuración del reactor, de manera que la mezcla de reacción entre en el al menos un tubo del reactor;
ii. Mantener el horno del reactor a una temperatura de al menos 400 °C proporcionando energía eléctrica al menos un elemento de calentamiento;
iii. Permitir que los hidrocarburos y el vapor se conviertan en hidrógeno y monóxido de carbono; y iv. Obtener del reactor una corriente de gas de síntesis.
A la conversión en la etapa iii le sigue, por ejemplo, el análisis de la muestra mediante cromatografía de gases y/o el seguimiento de los cambios de temperatura a la salida del tubo del reactor.
El término hidrocarburos más abajo en la presente descripción abarca, por ejemplo, metano tratado, siendo gas natural fósil tratado (preferido), o biometano purificado a partir de impurezas que no son hidrocarburos. El metano del gas natural fósil es una mezcla de gas hidrocarburo que consta principalmente de metano (es decir, al menos un 80 %), pero que normalmente incluye cantidades variables de otros alcanos superiores y, a veces, un pequeño porcentaje de nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono, argón o helio. El metano tratado es el hidrocarburo preferido, sin embargo, también pueden usarse como reactivos para el proceso otros hidrocarburos, preferentemente hidrocarburos tratados, y preferentemente hidrocarburos C2-C6, tales como etano y propano, y mezclas de hidrocarburos.
El proceso de reformado de metano se puede realizar con vapor, CO2 o cualquiera de sus combinaciones. El gas de síntesis producido por el reformado de metano mediante el uso de vapor tiene una proporción de H2:CO que es demasiado alta para las conversiones de Fischer Tropsch. En una modalidad preferida, esta proporción de H2:CO puede reducirse introduciendo conjuntamente CO2, lo que da como resultado un proceso de reformado de metano semiseco. La proporción H2:CO del gas de síntesis producido coincide con la proporción requerida para realizar la conversión de Fischer Tropsch. Mientras se usa la configuración del reactor de la presente descripción, también solo se pueden alimentar CO2 y metano en un proceso de reformado en seco para producir una relación H2:CO de 1.
Cuando se usa energía eléctrica para calentar, este proceso endotérmico se relaciona con el llamado proceso Energía a Líquido (PTL, por sus siglas en inglés) en lugar de Gas a Líquido (GTL, por sus siglas en inglés).
El cambio inverso de agua y gas (RWGS, por sus siglas en inglés) es un proceso moderadamente endotérmico a alta temperatura. El RWGS se vuelve valioso cuando se usa CO2 como fuente de carbono en lugar de metano o una combinación de metano y CO2. Además, esta reacción de conversión de gas es un ejemplo de una reacción que se puede realizar adecuadamente en la configuración del reactor de la presente descripción.
La configuración del reactor y el método de acuerdo con la presente descripción tienen amplias posibilidades de aplicación. Dado que las conversiones de gas a alta temperatura y el calentamiento de procesos se aplican ampliamente en la industria química, la presente descripción proporciona numerosas oportunidades de uso en aplicaciones petroquímicas o químicas. Como el flujo de calor y los niveles de temperatura que se pueden alcanzar se encuentran entre los más severos, cualquier tipo de equipo que funcione con (gas) se puede reemplazar con generación de calor radiativo eléctrico, tales como hornos de crudo, hornos de precalentamiento de destilación, hornos de aceite caliente, muchos reactores químicos de conversión de gas, por ejemplo, entre otros, craqueo con vapor con varias alimentaciones, varias reacciones de reformado (con vapor), reacciones de hidroprocesamiento, etcétera. El craqueo con vapor se define en la presente descripción como el craqueo térmico de hidrocarburos en presencia de vapor para producir productos químicos de alto valor tales como hidrógeno, etileno, propileno, butadieno, benceno, tolueno y xileno. En cuanto al craqueo al vapor de hidrocarburos, se observa que la reacción de pirólisis de los hidrocarburos sigue un mecanismo de radicales libres, que requiere altas temperaturas. El vapor actúa como diluyente; su función principal es reducir la presión parcial de los hidrocarburos, lo que mejora la selectividad al promover mayores rendimientos de olefinas inferiores. Las alimentaciones potenciales del craqueador a vapor cubren casi todo el intervalo de ebullición del petróleo crudo, incluidos los siguientes: etano, propano, butano, gas seco, gas de coque, nafta, queroseno, gasóleo, gasóleo de vacío, hidrocera, petróleo base, crudo y condensado. El experto en la materia comprenderá fácilmente que el intervalo de posibles reacciones químicas para la aplicación del reactor no está particularmente limitado siempre que se logren reacciones de conversión de gas a alta temperatura o se requiera un proceso de calentamiento a alta temperatura, como en hornos de crudo.
Descripción de los dibujos
Figura 1. Resumen esquemático de los mecanismos de transferencia de calor en el calentamiento por resistencia.
Figura 2. Representación esquemática de una unidad convencional de reformado de metano con vapor calentado a gas y fabricación de hidrógeno. NG es Gas Natural; BFW es agua de alimentación de calderas; HTS es cambio de alta temperatura; PSA es adsorción por cambio de presión.
Figura 3. Representación esquemática del control del horno en una configuración de reactor de acuerdo con la presente descripción con cuatro zonas de calentamiento, representadas en el dibujo por bobinas, cada una conectada con una unidad de control de potencia separada. El reactor se representa aquí por una unidad rectangular vertical estrecha representada a la izquierda del dibujo, que en realidad también puede ser, por ejemplo, una unidad doblada en U o una unidad horizontal. Las flechas indican las corrientes de salida de producto y alimentación de reactivo, respectivamente. TC-001 es el control de temperatura de salida del reactor, XY-099 convierte la salida de TC a la potencia deseada, en la fórmula z=gk, g es el porcentaje de salida del control de temperatura (es decir, TC-001), k representa la constante para convertir la salida del controlador al trabajo del horno deseado (por ejemplo, 100 MW/100 % ^ 1 MW/%). Al repartir la carga solicitada sobre el horno eléctrico, cada zona de calentamiento tiene un controlador manual (HC-001 a HC-004). A partir de la salida de estos controladores manuales, la fracción se multiplica con el servicio z total solicitado mencionado anteriormente en los bloques de cálculo XY-001 a XY-004. Esta potencia requerida se envía posteriormente a la unidad de control de potencia de la zona de calentamiento específica.
Figura 4. Varias apariencias típicas del tubo del reactor sobrecalentado, de izquierda a derecha: "banda caliente", "cola de tigre", "cuello de jirafa", "tubo caliente". Figura 4a: dibujo que muestra los matices de color reales de las apariencias del tubo del reactor sobrecalentado y Figura 4b: representación esquemática del mismo.
En lo sucesivo, la invención se ilustrará adicionalmente mediante los siguientes ejemplos no limitantes.
Ejemplos
Ejemplo 1
Diseño de horno de 100 MW.
Se realizó un diseño conceptual de horno eléctrico para SMR en base a 26 unidades de horno cada una con una potencia de = 4 MW. Por medio de la optimización de la distancia entre los tubos del reactor y la disposición de los elementos de calentamiento, aplicando arreglos de calentamiento de varilla sobre banda, se logra una distribución de potencia y temperatura uniformes en cada tubo del reactor. El tamaño del horno es el resultado del flujo de calor del tubo del reactor especificado y la carga superficial de los elementos de calentamiento (kW/m2), en combinación con las temperaturas requeridas para la transferencia de calor por radiación.
Cada unidad de horno contiene cuatro segmentos apilados verticalmente, cada uno con una potencia de diseño de 1,26 MW que se traduce en 110 kW.m-2 en la superficie del tubo del reactor. El servicio total de diseño del horno de 131 MW permite el cambio de carga en el horno en caso de que fallen los elementos de calentamiento. Dentro de cada uno de los cuatro segmentos se colocan nuevamente tres zonas de calentamiento de un metro de altura. Cada una de estas zonas de calentamiento consta de seis elementos de calentamiento de 70 kW a 345 V (FeCrAl). Esto lleva el número de zonas de calentamiento en toda la unidad de horno a doce zonas de calentamiento.
Las ventanas del horno (puertos de inspección) en diferentes niveles se diseñan a cada lado del horno para inspeccionar el estado de los tubos del reactor.
El peso de una sola unidad de horno está en el intervalo de ~ 10 - 50 toneladas. El espacio total de la parcela del horno se estima en 50 x 17,5 m = 875 m2 excluyendo el espacio de la parcela para la infraestructura eléctrica.
El material aislante usado en la superficie interna del horno en el diseño conceptual del horno es un material que se usa convencionalmente en este tipo de aplicaciones.
Control de horno
El control del horno se lleva a cabo como se muestra en la Figura 3. Se establece un perfil de flujo de calor/temperatura por medio de controladores manuales a lo largo del horno. El mayor flujo de calor se produce en la parte superior del tubo del reactor, donde se produce el calentamiento adicional de la mezcla de reacción hasta las condiciones de reacción requeridas y las reacciones comienzan a consumir energía térmica. Se alcanza un pico en el flujo de calor, después del cual este disminuye mientras la temperatura aumenta. La temperatura más alta combinada con el flujo de calor más bajo ocurre en la salida. Aquí el equilibrio químico se logra virtualmente a la temperatura final deseada. Para adaptarse a este perfil, se han diseñado cuatro zonas de calentamiento. Cada zona entrega una fracción predefinida del servicio total demandado. En consecuencia, esto conducirá a un equilibrio de temperatura entre el elemento de calentamiento y el tubo del reactor de acuerdo con los principios de transferencia de calor por radiación como se ha descrito anteriormente (vide supra).
Infraestructura eléctrica
El consumo de energía eléctrica de diseño del "horno de 100 MW", que incluye el margen de diseño del 10 % = 117 MWe. La premisa de diseño es partir de una barra de 132 kV AC y, mediante transformadores, reducir el nivel de tensión a los 690 V deseados. El concepto es usar transformadores de 6 x 132/11 kV y transformadores de 47 x 11/0,72 kV. Desde una perspectiva de diseño, los grandes transformadores de la red probablemente estarían ubicados lejos del horno eléctrico, ya que la energía entrante puede llegar a través de líneas aéreas a una subestación exterior.
Para lograr las reducciones de emisiones de CO2, se espera que la energía provenga de la capacidad de generación renovable, pero también se pueden usar fuentes de energía de flujo residual en una configuración de proceso integrada.
Ejemplo 2
Configuración del reactor con un horno de acuerdo con el ejemplo 1 en funcionamiento.
Puesta en marcha
En comparación con un SMR convencional, los hornos eléctricos se pueden iniciar gradualmente. La relación de reducción del calentamiento eléctrica es prácticamente ilimitada y, en consecuencia, la puesta en marcha es bien controlable. Además, la distribución del calor es uniforme en todos los tubos. Esto es contrario a los SMR convencionales alimentados con hidrocarburos, en los que se pueden encender algunos quemadores y provocar un desequilibrio temporal. Para evitar daños a los elementos de calentamiento eléctricos, se debe limitar la velocidad de calentamiento.
Apagado
Para evitar daños en los tubos del reactor, debe respetarse una velocidad de enfriamiento máxima de 50 °C.hr-1. Teniendo en cuenta que la capacidad de reducción es muy alta y siempre que el sistema de calentamiento eléctrico funcione normalmente, se puede cumplir con esta limitación de la velocidad de enfriamiento. Además, en escenarios de tropiezo (es decir, parada inesperada del proceso, por ejemplo, cuando ocurre un incendio) se debe calcular la temperatura de sedimentación, considerando toda la capacidad calorífica en los elementos de calentamiento y refractarios. Se espera que esta temperatura sea lo suficientemente baja para evitar que reviente un tubo del reactor. Además, la purga de vapor y la despresurización del reactor forman parte de los procedimientos normales de parada.
Reducción
Los hornos SMR convencionales tienen una relación de reducción de ~5 (reducción = rendimiento de diseño/rendimiento mínimo). Esto se rige predominantemente por la capacidad de los quemadores del horno y las características del combustible. En cambio, los hornos eléctricos tienen una relación de reducción prácticamente ilimitada. Las nuevas limitaciones para la reducción son causadas por las limitaciones en el lado del proceso, como las distribuciones de flujo sobre los tubos del reactor.
Tropiezo
Para evitar la inestabilidad de la red eléctrica en caso de rechazo de carga asociado con el tropiezo del servicio de 100 MWe no asociado con una falla eléctrica, se puede implementar un retraso para permitir que la red eléctrica se ajuste al rechazo de energía, de manera que la carga no sea rechazada completamente en una sola etapa. Tal retraso es del orden de segundos a unos pocos minutos. El desarrollo futuro debe identificar la estrategia exacta mediante la evaluación de la estabilidad de la red. Desde el punto de vista del proceso, tales retrasos pueden acomodarse. Cuando ocurre un tropiezo, se inyecta vapor y se despresuriza el proceso.
Solución de problemas
Por varias razones, los tubos del reactor pueden sobrecalentarse. Por ejemplo, puede ocurrir una pérdida localizada de actividad del catalizador, la formación de carbono que resulta en un tubo del reactor obstruido o puede haber vacíos debido a una carga de catalizador incorrecta. Varias apariencias típicas de tubos de reactores sobrecalentados pueden resultar como se muestra en la Figura 4. De acuerdo con la presente descripción, es posible monitorear los tubos del reactor durante la operación. Se han diseñado puertos de inspección en el horno eléctrico para poder inspeccionar los tubos del reactor durante la operación. Normalmente, esto se evalúa mediante el uso de técnicas de medición de radiación infrarroja (por ejemplo, pirómetro).
Ejemplo 3
Los datos de una unidad de fabricación de hidrógeno SMR de 3 MW de capacidad eléctrica en comparación con una unidad convencional alimentada con hidrocarburos:
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Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Una configuración de reactor que comprende al menos un horno calentado eléctricamente que define un espacio, con al menos un tubo de reactor colocado dentro del espacio del horno y dicho tubo de reactor que tiene una salida y una entrada fuera del horno del reactor, y en donde dicho horno se proporciona además con
- al menos un elemento de calentamiento eléctrico por radiación apto para calentar a altas temperaturas en el intervalo de 400 a 1400 °C, dicho elemento de calentamiento que se ubica dentro de dicho horno de manera que el elemento de calentamiento no está en contacto directo con el al menos un tubo del reactor; y
- un número de puertos de inspección en la pared del horno para poder inspeccionar visualmente el estado del al menos un tubo del reactor en todos los lados de dicho tubo del reactor durante la operación, siendo suficiente el número total de puertos de inspección para inspeccionar todos los tubos del reactor presentes en el horno en toda su longitud y circunferencia; y en donde la carga térmica del horno es de al menos 3 MW.
2. Una configuración de reactor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el al menos un elemento de calentamiento por radiación es un elemento de calentamiento basado en resistencia.
3. Una configuración de reactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el al menos un elemento de calentamiento eléctrico comprende elementos de calentamiento por resistencia basados en NiCr, SiC, MoSi2 o FeCrAl.
4. Una configuración de reactor de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el elemento de calentamiento eléctrico comprende elementos de calentamiento por resistencia basados en MoSi2 o FeCrAl.
5. Una configuración de reactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el horno del reactor comprende diez o más tubos de reactor.
6. Una configuración de reactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el horno del reactor comprende al menos dos zonas de calentamiento, en donde cada zona de calentamiento tiene su propia unidad de control de potencia.
7. Una configuración de reactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende al menos diez hornos calentados eléctricamente, cada uno de los cuales define un espacio, y dentro de cada espacio al menos diez tubos de reactor, cada uno de los cuales tiene una salida y una entrada fuera del horno de reactor, cada uno de dichos hornos se proporciona además con
- diez o más elementos eléctricos de calentamiento por radiación adecuados para calentar los tubos del reactor a altas temperaturas en el intervalo de 600 a 1100 °C, dispuestos en al menos cuatro zonas de calentamiento; y
- una serie de puertos de inspección en la pared del horno para poder inspeccionar visualmente el estado del al menos un tubo del reactor en cada lado opuesto de dicho tubo del reactor durante el funcionamiento con el uso de técnicas de medición de radiación infrarroja, el número total de puertos de inspección siendo suficiente para inspeccionar todos los tubos del reactor presentes en el horno en toda su longitud y circunferencia; y
en donde la carga de calentamiento de cada horno es de al menos 3 MW.
8. Una configuración de reactor de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se proporciona con una conexión de suministro de energía a una fuente renovable para suministrar al menos parte de la energía requerida para el calentamiento eléctrico.
9. Un método para realizar un proceso de conversión de gas a altas temperaturas, que comprende introducir al menos un reactivo gaseoso en una configuración de reactor de acuerdo con las reivindicaciones 1-8, calentar eléctricamente al menos un elemento de calentamiento a una temperatura en el intervalo de 400 - 1400 °C, y realizar la conversión de gas a alta temperatura mientras se inspecciona el tubo del reactor por medio de la mirilla en el tubo del reactor.
10. Un método para realizar un proceso de conversión de gas de acuerdo con la reivindicación 9, en donde el proceso de conversión de gas comprende producir un gas de síntesis por medio de reformado de metano con vapor, reformado de CO2 seco, cambio inverso de agua a gas o una combinación de los mismos, que comprende las etapas de:
i. Proporcionar hidrocarburos y vapor y/o CO2 a la configuración del reactor, de manera que la mezcla de reacción entre en el al menos un tubo del reactor;
ii. Mantener el horno del reactor a una temperatura de al menos 400 °C proporcionando energía eléctrica a al menos un elemento de calentamiento;
iii. Permitir que los hidrocarburos y el vapor se conviertan en hidrógeno y monóxido de carbono; y iv. Obtener del reactor de una corriente de gas de síntesis.
11. El método de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, que comprende controlar las temperaturas en diferentes secciones del horno del reactor, y en donde el horno del reactor comprende al menos dos zonas de calentamiento, en donde cada zona de calentamiento tiene su propia unidad de control de potencia que se regula para lograr un perfil de flujo de calor sobre la superficie del al menos un tubo del reactor.
12. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11, que comprende además suministrar al menos parte de la energía para el calentamiento eléctrico de una fuente renovable.
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