ES2967934T3 - Reactor y método para llevar a cabo una reacción química - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un reactor (100, 200) para llevar a cabo una reacción química, reactor que comprende una vasija de reactor (10), uno o más tubos de reacción (20) y medios (40) para calentamiento eléctrico de uno o más. más tubos de reacción (20). La vasija del reactor (10) tiene una o más aberturas de salida (62, 62) que están permanentemente abiertas o que están diseñadas para abrirse a partir de un nivel de presión predeterminado, y se proporcionan medios de alimentación de gas (50) que están diseñados para alimentar un inertizador. gas a un espacio interior de la vasija del reactor (10). La presente invención también se refiere a un método correspondiente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Reactor y método para llevar a cabo una reacción química

La invención se refiere a un reactor y a un método para llevar a cabo una reacción química según los preámbulos de las reivindicaciones independientes.

Técnica anterior

En una serie de procesos en la industria química, se usan reactores en los que uno o más reactivos se conducen a través de tubos de reacción calentados y allí se convierten catalítica o no catalíticamente. El calentamiento sirve en particular para superar el requisito de energía de activación para que tenga lugar la reacción química. La reacción puede proceder de manera endotérmica total o exotérmicamente después de superar el requisito de energía de activación. La presente invención se refiere en particular a reacciones fuertemente endotérmicas.

Los ejemplos de tales procesos son agrietamiento con vapor, diferentes procesos de reformado, en particular reformado al vapor, reformado en seco (reformado con dióxido de carbono), procesos de reformado mixto, procesos para deshidrogenar alcanos y similares. En el agrietamiento con vapor, los tubos de reacción se guían a través del reactor en forma de bobinas de tubo, que tienen al menos una curva en U en el reactor, mientras que los tubos que se extienden típicamente a través del reactor sin curvas en U se usan en el reformado al vapor.

La invención es adecuada para todos tales procesos y realizaciones de tubos de reacción. Solo con fines ilustrativos, se hace referencia aquí a los artículos, “ Etileno” , “ Producción de gas” y “ Propeno” en Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, p. ej., las publicaciones de 15 de abril de 2009, DOI:10.1002/14356007.a10_045.pub2, de 15 de diciembre de 2006, DOI:10.1002/14356007.a12_169.pub2, y 15 de junio de 2000, DOI:10.1002/14356007.a22_211.

Los tubos de reacción de reactores correspondientes se calientan convencionalmente usando quemadores. Los tubos de reacción se guían a través de una cámara de combustión en la que también se disponen los quemadores.

Sin embargo, como se describe por ejemplo en el documento DE 10 2015 004 121 A1 (también documento EP 3075704 A1), la demanda de gas de síntesis e hidrógeno producidos sin o con emisiones locales reducidas de dióxido de carbono, está aumentando actualmente. Sin embargo, los procesos en los que se usan reactores encendidos no pueden satisfacer esta demanda basándose en la quema de portadores de energía típicamente fósiles. Por ejemplo, otros procesos se rechazan debido a los altos costes. Lo mismo se aplica al suministro de olefinas y/u otros hidrocarburos mediante craqueo con vapor o deshidrogenación de alcanos. En dichos casos existe también un deseo de métodos que emitan menores cantidades de dióxido de carbono en el sitio.

En este contexto, el citado DE 102015004 121 A1 propone el calentamiento eléctrico de un reactor para reformado al vapor, además de una combustión. En este caso, se usan, por ejemplo, una o más fuentes de tensión que proporcionan una tensión alterna trifásica en tres conductores externos. Cada conductor externo está conectado a un tubo de reacción. Se forma una conexión en estrella, en la que se realiza un punto de estrella mediante un colector en el que se abren las líneas de tubos y al que se conectan conductivamente los tubos de reacción. De esta manera, el colector idealmente permanece libre de potencial. En relación con la orientación vertical, el colector se dispone debajo y fuera de la cámara de combustión y preferiblemente se extiende transversalmente a los tubos de reactor o a lo largo de la orientación horizontal. WO 2015/197181 A1 describe de la misma manera un reactor cuyos tubos de reacción se disponen en una conexión de punto de estrella.

Además del calentamiento directo de los tubos de reacción, con el que fluye una corriente eléctrica a través de los tubos de reacción, también existe una gran variedad de conceptos para el calentamiento eléctrico indirecto de los tubos de reacción. El calentamiento eléctrico indirecto puede tener lugar, como se describe, entre otros, en WO 2020/002326 A1, en forma de calentamiento eléctrico externo. Es también posible el calentamiento interno como se describe, por ejemplo, en el documento WO 2019/228798 A1. Además de la resistencia o calentamiento por impedancia, puede tener lugar el calentamiento eléctrico inductivo de los tubos de reacción o de un lecho de catalizador, como se describe en el documento WO 2017/072057 A1. El calentamiento inductivo puede, por ejemplo, calentar un elemento de calentamiento interno o externo o los propios tubos de reacción. El calentamiento directo (no inductivo) de un tubo de reacción también se describe en DE 10-2015-004 121 A1. Para el calentamiento, se pueden realizar conceptos básicos con corriente alterna monofásica o polifásica o con corriente directa. En el caso del calentamiento directo de reactores mediante corriente directa o también con corriente alterna monofásica, no se puede realizar un circuito en estrella con un punto de estrella exento de potencial, pero la entrada de energía se puede realizar en principio de manera similar a una corriente directa polifásica. La presente invención es adecuada para todas las variantes de calentamiento eléctrico.

WO 2004/091773 A1 describe un reactor calentado eléctricamente para llevar a cabo reacciones de gas a alta temperatura. El reactor consiste en un bloque de reactor, de uno o más módulos monolíticos de un material adecuado para el calentamiento eléctrico, módulos que están rodeados por un alojamiento, de canales que se extienden a través del(de los) módulo(s) y se diseñan como canales de reacción, y de un dispositivo para conducir o inducir una corriente en el bloque del reactor. La seguridad durante el funcionamiento de dicho reactor debe aumentarse porque el alojamiento del bloque de reactor tiene una camisa de doble pared, que sella dicho bloque de reactor de manera hermética a los gases, y al menos un dispositivo para alimentar un gas inerte en la camisa de doble pared.

Como también se explica a continuación, se deben observar aspectos especiales relevantes para la seguridad en el caso de reactores calentados eléctricamente. El objeto de la presente invención es especificar medidas que toman en cuenta estos aspectos y de esta manera permiten una operación ventajosa de un reactor calentado eléctricamente.

Descripción de la invención

En este contexto, la presente invención propone un reactor y un método para llevar a cabo una reacción química según los preámbulos de las reivindicaciones independientes. Las realizaciones son respectivamente la materia de las reivindicaciones dependientes y de la descripción a continuación.

En un concepto de horno electrificado (el término “ horno” se entiende comúnmente como un reactor correspondiente o al menos su espacio de reacción aislado térmicamente) que es la base de la presente invención, tubos de reacción, por ejemplo, o secciones de tubo correspondientes de estos (a continuación en la memoria “tubos” ) se utilizan como resistencias eléctricas para generar calor. Este enfoque directo tiene la ventaja de una mayor eficiencia en comparación con el calentamiento indirecto mediante elementos de calentamiento eléctricos externos, junto con una mayor densidad de flujo de calor alcanzable. Sin embargo, como se ha mencionado anteriormente, es posible también llevar a cabo cualquier otro tipo de calentamiento eléctrico (directa o indirectamente, como resistencia, impedancia o calentamiento por inducción, por medio de una corriente alterna monofásica o polifásica o con corriente directa) dentro del marco de la presente invención, si dicho calentamiento demuestra ser ventajoso.

En el caso de calentamiento con corriente alterna polifásica, la energía se puede alimentar directamente a los tubos de reacción calentados a través de las M fases conectadas por separado. Los tubos de reacción conductores de corriente conectados a las M fases también pueden conectarse eléctricamente a un punto estrella en el otro extremo. El número de M fases es en particular 3, correspondiente al número de fases de redes o fuentes convencionales de corriente trifásica. Sin embargo, en principio, la presente invención no se limita al uso de tres fases, sino que también se puede usar con un mayor número de fases, por ejemplo, un número de fases de 4, 5, 6, 7, u 8. Un desplazamiento de fase es en particular de 360°/M, es decir, en el caso de una corriente alterna trifásica, 120°.

En el calentamiento eléctrico con corriente alterna polifásica, la compensación de potencial entre las fases se consigue en el punto de estrella mediante el circuito en estrella, lo que idealmente hace superfluo el aislamiento eléctrico de las tuberías conectadas. Esta es una ventaja particular de tal concepto de horno ya que una interrupción de los tubos de reacción metálicos para aislamiento de ciertas secciones no es deseable, en particular debido a las altas temperaturas usadas y el alto material y los costes de diseño requeridos.

Sin embargo, las medidas propuestas según la invención y explicadas a continuación son adecuadas de la misma manera para el uso de corriente directa y corriente alterna monofásica, y la presente invención se puede usar tanto en reactores calentados con corriente alterna como en reactores calentados con corriente directa o también en formas mezcladas correspondientes. Como se ha mencionado, la presente invención también es adecuada para usar en tubos de reacción calentados indirectamente. En el caso de una disposición de corriente directa, solo el tipo de fuente de corriente y la región de los tubos de reacción opuestos a la entrada de potencia o secciones correspondientes suministradas con corriente son, por ejemplo, diferentes de una disposición de corriente alterna. En este último, se lleva a cabo solo opcionalmente una conexión eléctrica de diferentes secciones de tubo. Dado que no está presente un punto de estrella libre de potencial en una disposición de corriente directa, se deben proporcionar elementos de descarga de corriente adecuados, que conduzcan de manera segura el flujo de corriente hacia el exterior. Esto último puede diseñarse de manera análoga a las entradas de potencia descritas a continuación.

La presente invención se refiere a la protección de reactores calentados eléctricamente del tipo explicado, que es necesaria en particular en caso de daño a los tubos de reacción (“ fracturación de bobina” ). En caso de que se produzcan los daños correspondientes, uno o varios tubos de reacción pueden, en particular, seccionarse por completo; sin embargo, la presente invención también es ventajosa para las fugas en menor medida. En caso de que se produzcan los daños correspondientes, se produce una fuga repentina o progresiva de gas combustible hacia la vasija del reactor, sellada en gran medida por razones de aislamiento térmico.

Dichos daños constituyen un problema de seguridad menor en los reactores convencionales de combustión que en los reactores de calentamiento puramente eléctrico, como los que se utilizan en concreto según la invención, ya que los gases combustibles que emergen de los tubos de reacción en los reactores de combustión, por ejemplo, en forma de mezcla de hidrocarburos y vapor, pueden reaccionar de forma inmediata y continua mediante la combustión que tiene lugar en la vasija del reactor o en una cámara de combustión correspondiente, o bien porque debido a la combustión que tiene lugar existe un contenido de oxígeno significativamente reducido y, por tanto, el espacio gaseoso que rodea los tubos de reacción ya está sustancialmente “ inertizado” . Por el contrario, en el caso de calentamiento puramente eléctrico, los gases combustibles correspondientes podrían acumularse en el recipiente de reactor y allí, con el contenido normal de oxígeno del aire y temperaturas por encima de la temperatura de ignición espontánea, alcanzar, por ejemplo, el límite de explosión o detonación. También en el caso de combustión sin explosión o detonación, una combustión completa o incompleta da como resultado una entrada de energía y, por lo tanto, posiblemente sobrecalentamiento. Junto con el volumen de gas que sale de los tubos de reacción, la combustión completa o incompleta puede provocarper seun aumento significativo de la presión. La presente invención reduce dicho aumento de presión porque se impide la combustión de la mezcla gaseosa.

En la terminología de las reivindicaciones, la presente invención se refiere a un reactor para llevar a cabo una reacción química, que tiene una vasija del reactor (es decir, una región aislada térmicamente o al menos parcialmente aislada), uno o más tubos de reacción y medios para el calentamiento eléctrico del uno o más tubos de reacción. El reactor propuesto según la invención se configura en particular para llevar a cabo una reacción química a un nivel de temperatura explicado a continuación para reacciones a alta temperatura. Los tubos de reacción se guían a través del reactor con al menos un codo en U o se hacen pasar por el reactor sin ningún codo en U. Los medios para el calentamiento eléctrico pueden diseñarse como se ha explicado de manera amplia anteriormente. Por un lado, los medios pueden ser medios para alimentar con energía el uno o varios tubos de reacción, que provocan un flujo de corriente en el uno o varios tubos de reacción y un calentamiento correspondiente, por ejemplo, barras de corriente rígidas guiadas hacia el reactor, pero los medios también pueden ser medios de calentamiento indirecto, tales como dispositivos de calentamiento por resistencia y/o inductivos, que transfieren calor por conducción y/o por radiación térmica al uno o varios tubos de reacción, o que generan corrientes de Foucault, por ejemplo, en el uno o varios tubos de reacción o en un lecho de catalizador y, de este modo, provocan el calentamiento.

Dentro del marco de la presente invención, la vasija del reactor tiene uno o más orificios de descarga, que están permanentemente abiertos o están configurados para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado, y se proporcionan medios de alimentación de gas, que se configuran para alimentar un gas inerte al interior de la vasija del reactor.

A continuación se describe predominantemente un reactor que está diseñado según la invención o según diferentes realizaciones de la invención. Las explicaciones correspondientes se aplican también en cada caso a un método correspondiente, con el que los medios establecidos correspondientemente llevan a cabo las etapas del método especificadas en cada caso.

Para alimentar el gas inerte, los medios de alimentación de gas comprenden, por ejemplo, boquillas o aberturas de alimentación que se abren a la vasija del reactor, junto con las líneas y un depósito de gas conectado a las mismas, por lo que se puede suministrar el gas inerte al interior de la vasija del reactor. La vasija del reactor es, en particular, una cámara que está predominantemente, es decir, al menos un 90, 95 o 99 %, rodeada por una pared aislante térmica. El interior de la vasija del reactor es la región en la que están dispuestos los tubos de reacción y que está rodeada por la pared del reactor. Una pared del reactor que, por ejemplo, también puede ser de diseño de doble pared no es parte del interior.

En todas las realizaciones de la presente invención, el gas inerte puede ser un gas o una mezcla de gases que tiene nitrógeno, dióxido de carbono y/o argón en un contenido superatmosférico respectivamente, o los medios de alimentación de gas se configuran para proporcionar un gas inerte correspondiente, por ejemplo, manteniendo el gas inerte correspondiente disponible o proporcionándolo mezclando gases puros o mezclando gases puros al aire. En particular, el contenido de gas no combustible puede ser más del 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, o 90 %. Un gas inerte, por lo tanto, no tiene que ser un “ gas inerte” puro en el sentido tradicional; más bien, es suficiente si el gas inerte, en particular debido a su contenido de un gas no combustible, reduce al menos parcialmente el intervalo de mezcla inflamable, es decir, reduce el riesgo de ignición, explosión o detonación. Un gas inerte para su uso dentro del marco de la presente invención puede tener en particular un contenido de oxígeno subatmosférico, por ejemplo, un contenido de oxígeno de menos de 10 %, 5 %, 1 %, 0,5 % o 0,1 %. Un gas inerte, en particular, puede estar también (completa o sustancialmente) exento de oxígeno.

Por medio de las medidas propuestas, la presente invención proporciona un confinamiento con una atmósfera acondicionada, confinamiento que sirve para el aislamiento térmico y para la protección relacionada con la seguridad de los reactores de alta temperatura, con los que la entrada de energía tiene lugar eléctricamente. Dentro del marco de la presente invención, se puede proporcionar en particular un calentamiento completamente eléctrico, es decir, el calentamiento de los tubos de reacción tiene lugar, al menos dentro de la vasija del reactor, de forma predominante o exclusivamente ventajosa mediante calentamiento térmico, es decir, al menos 90, 95 o 99 % de la cantidad de calor introducida aquí, en particular de la cantidad completa de calor introducida aquí, tiene lugar mediante calentamiento eléctrico. Aquí no se tiene en cuenta la entrada de calor a través de una mezcla gaseosa conducida a través del uno o más tubos de reacción, de modo que esta proporción se refiere en particular al calor transferido desde el exterior a la pared del uno o más tubos de reacción dentro de la vasija del reactor o generado dentro de la vasija del reactor en la pared o en un lecho de catalizador.

En su forma más general, la invención describe así un confinamiento para reactores de alta temperatura alimentados con hidrocarburos (donde el término “ reacción de alta temperatura” se refiere aquí en particular a una reacción que procede a una temperatura de más de 500 °C y en particular de 700 a 1000 °C) con calentamiento eléctrico, confinamiento que 1. proporciona una atmósfera inerte en los alrededores de los tubos, y 2. no está cerrado herméticamente de forma permanente. Es particularmente preferida la aplicación para reactores calentados eléctricamente con los que la temperatura del gas de proceso está cerca o por encima de la temperatura de ignición espontánea de los hidrocarburos contenidos en el gas de proceso. El término “ gas de proceso” se refiere a un gas o mezcla de gases que fluye a través del uno o más tubos de reacción.

Las realizaciones de la presente invención difieren en particular por la realización del uno o más orificios de descarga, que están permanentemente abiertos o están configurados para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado. Sin embargo, también es posible una combinación de orificios de descarga diseñados en principio correspondientemente.

En un grupo de realizaciones a las que se hace referencia a continuación como el “ primer grupo” , el uno o más orificios de descarga están permanentemente abiertos. Esto significa que el uno o más orificios de descarga no ofrecen ninguna resistencia mecánica contra el flujo de fluido dentro o fuera de la vasija del reactor, excepto el estrechamiento posiblemente existente de la sección transversal del flujo. Por lo tanto, la una o más aberturas no están cerradas.

Por el contrario, en un grupo de realizaciones a las que se hace referencia a continuación como el “ segundo grupo” , el uno o más orificios de descarga están configurados para abrirse por encima del nivel de presión predeterminado. El uno o más orificios de descarga están cerrados por debajo del nivel de presión predeterminado o están configurados para abrirse temporal o permanentemente cuando se alcanza el nivel de presión predeterminado. A este respecto, el término “ permanentemente” abierto se refiere en particular a una apertura irreversible, de modo que después de un subsiguiente descenso del nivel de presión predeterminado, en esta realización no se produce un nuevo cierre mediante la descarga de gas. Por el contrario, el término “temporalmente” abierto se refiere a una apertura en la que se produce un nuevo cierre.

Para abrirse al nivel de presión predeterminado, el uno o más orificios de descarga pueden tener, por ejemplo, una o más aletas cargadas por resorte o por peso, que tienen una resistencia a la apertura definida por los valores característicos del resorte o de la carga y, por lo tanto, se abren sólo a partir de una presión correspondiente. En una realización del segundo grupo de realizaciones, se pueden utilizar también uno o más discos de ruptura o válvulas de alivio de presión de una manera conocida per se. Es posible también detectar un valor de presión, por ejemplo mediante sensores, y activar un mecanismo de apertura de cualquier tipo, por ejemplo un mecanismo de encendido o un accionamiento eléctrico, cuando se supera un valor umbral predeterminado. Esto hace posible liberar cuando es necesario una sección transversal suficientemente grande, que se mantiene cerrada de la manera explicada durante el funcionamiento normal, dentro de un tiempo de respuesta corto.

En particular en el primer grupo de realizaciones, pero posiblemente también en el segundo grupo de realizaciones, el reactor puede configurarse para una purga constante con gas inerte. En otras palabras, los medios de alimentación de gas explicados están configurados para alimentar continuamente el gas inerte a la vasija del reactor. En el primer grupo de realizaciones, el gas inerte puede fluir en forma particularmente predominante a través del uno o más orificios de descarga permanentemente abiertos, pero opcionalmente también a través de otros orificios de descarga, en particular fugas de gas o desvíos inevitables o creados deliberadamente, por ejemplo a una chimenea existente. En el segundo grupo de realizaciones en las que el uno o más orificios de descarga permanentemente abiertos están normalmente cerrados, se proporcionan otras aberturas para la salida del gas inerte, por ejemplo líneas de derivación a una chimenea, o están presentes inevitablemente, por ejemplo debido a fugas de la vasija del reactor.

Como alternativa a la purga constante, también se puede suministrar el gas inerte una sola vez o periódicamente al reactor de acuerdo con uno o más criterios predeterminados. A continuación, los medios de alimentación de gas se configuran para dicha operación. Uno o más criterios predeterminados pueden incluir, por ejemplo, alcanzar un valor de presión predeterminado y/o una concentración predeterminada, por ejemplo un contenido de oxígeno mínimo y tolerable. Sin embargo, un criterio puede ser también que la vasija del reactor se ponga en funcionamiento por primera vez. En particular, se puede realizar una medición continua e iniciar la alimentación de gas inerte siempre que los valores medidos correspondientes indiquen que ya no se cumplen los criterios predeterminados. El suministro único o periódico de gas inerte puede proporcionarse, en particular en el segundo grupo de realizaciones, por debajo del valor de presión para la apertura del uno o más orificios de descarga, ya que aquí puede impedirse el escape libre del gas inerte y éste puede mantenerse en la vasija del reactor durante períodos de tiempo más largos.

En una realización particularmente preferida del primer grupo de realizaciones, el reactor se configura para el funcionamiento de la vasija del reactor a un nivel de presión subatmosférico. En este caso, se proporcionan medios para formar un flujo de gas fuera del reactor. En esta conexión, el uno o más orificios de descarga, que, en este grupo de realizaciones, están permanentemente abiertos después de todo, pueden conectarse permanentemente abiertos a una chimenea que tenga una boca de chimenea a una altura suficiente. Esto da como resultado una presión negativa estática en la vasija del reactor debido a las altas temperaturas en la vasija del reactor y la densidad más baja resultante del volumen de gas contenido. En esta conexión, es también posible proporcionar el uso de sopladores, por ejemplo, hasta la formación de una presión negativa estática correspondiente.

Por el contrario, en una realización particularmente preferida del segundo grupo de realizaciones, el reactor se configura para el funcionamiento de la vasija del reactor a un nivel de presión superatmosférico. Esto puede lograrse en particular alimentando el gas inerte hasta un nivel de presión superatmosférico, que está por debajo de una presión de apertura de los orificios de descarga.

El sistema según el primer grupo de realizaciones, que ha sido inertizado hasta un determinado grado y está “ abierto” al medio ambiente (en particular con una ligera presión negativa en la vasija del reactor como resultado del efecto chimenea) o bien el sistema “ que puede abrirse” según el segundo grupo de realizaciones de la presente invención (que puede ser operado en particular con una cierta sobrepresión en la vasija del reactor) puede limitar la tasa de aumento de presión, en el caso de un escape de hidrocarburos que dañe los tubos de reacción, a una cantidad tolerable que satisfaga los límites de diseño de la vasija del reactor.

El contenido de oxígeno presente puede reducirse como resultado del concepto de una vasija del reactor alimentado con gas inerte. La velocidad de reacción de los hidrocarburos que se escapan en caso de avería y, por tanto, el importante aumento de volumen adicional (como consecuencia del aporte de calor de reacción) escala en una primera aproximación con la presión parcial de oxígeno o el contenido molar de oxígeno en la caja.

En ambos grupos de realizaciones de la presente invención, como resultado de la alimentación del gas inerte, las paredes de las vasijas del reactor ventajosamente no tienen que ser diseñadas para ser completamente estancas al gas, lo que sólo podría llevarse a cabo con un desembolso de material muy elevado, por ejemplo el uso de estructuras de fuelle resistentes a la temperatura y similares, debido a las altas temperaturas en ciertos lugares debido a una posibilidad de movimiento requerida. En el caso de funcionamiento a un nivel de presión subatmosférico junto con una chimenea, aunque es posible que entre aire en la vasija del reactor a través de las fugas correspondientes, este aire es descargado y diluido correspondientemente por el flujo continuo provocado por la chimenea. De este modo pueden evitarse problemas de seguridad en el uso de gases inertes que puedan perjudicar potencialmente la respiración o de sus componentes. Por el contrario, en el caso de funcionamiento a un nivel de presión superatmosférico, se puede evitar de forma fiable la entrada de aire en la vasija del reactor gracias a la propagación uniforme de la presión. El gas entrante que escapa a través de fugas puede descargarse o diluirse, por ejemplo, mediante ventilación suficiente fuera de la vasija del reactor.

Gracias al concepto propuesto de la vasija del reactor alimentado con gas inerte, se puede reducir aquí el contenido de oxígeno. Como se puede utilizar según la invención, la velocidad de reacción de los hidrocarburos que se escapan y, por lo tanto, la tasa de aumento de volumen adicional significativa (como consecuencia de la entrada de calor de reacción) se correlaciona en una primera aproximación con la presión parcial de oxígeno o la fracción molar de oxígeno. Esta correlación se resume en la Tabla 1 siguiente, en donde xO2 indica el contenido molar de oxígeno y Vreac indica la velocidad de aumento del volumen relacionado con la reacción.

Por lo tanto, los medios de alimentación de gas están configurados ventajosamente para ajustar un contenido máximo de oxígeno en el recipiente de reacción sobre la base del dimensionamiento de la chimenea o las chimeneas.

Tabla 1

La presión máxima permisible pmáx. se deriva de la estabilidad mecánica de las cámaras en cuestión y de una contención circundante. Esta presión debe ser al menos tan grande como la presión pcaja en el caso de una fractura de bobina o en el caso de otro evento relevante para la seguridad correspondiente, presión que a su vez depende del volumen Vcaja de las cámaras relevantes en el diámetro de chimenea Dchimenea y en el contenido parcial de oxígeno:

p<máx.>^ p<caja>_ f (V<caja>, D<chimenea>, xO<2>)

Este requisito da como resultado una base de diseño para el dimensionamiento de la chimenea, es decir, la conexión al entorno, que está presente de forma permanente o temporal a través del uno o más orificios de descarga, y viceversa. Esta relación ahora se explica una vez más con referencia a la FIG. 9. Si, por ejemplo, se utiliza un aumento máximo de la presión permisible de 20 mbar aquí como base, como se ilustra mediante las líneas discontinuas 601 y 602 para poder usar una chimenea con un diámetro de 500 mm (línea discontinua 601), como máximo puede resultar una velocidad de aumento del volumen relacionado con la reacción de aproximadamente 10 m3/s, lo que conduce a un contenido máximo de oxígeno de aproximadamente 1 %, que se ajusta mediante la inertización. Por el contrario, si se va a llevar a cabo una inertización en un contenido de oxígeno de como máximo 1 %, se debe usar un diámetro de chimenea de al menos 500 mm. Para poder usar una chimenea con un diámetro de 900 mm (línea discontinua 602), solo puede resultar una velocidad de aumento del volumen de aproximadamente 42 m3/s, lo que conduce un contenido máximo de oxígeno de aproximadamente 4 %, que se ajusta mediante la inertización. Por el contrario, y de forma análoga a las explicaciones anteriores, si tiene lugar una inertización en un contenido de oxígeno de como máximo 4 %, se debe usar aquí un diámetro de chimenea de al menos 900 mm.

Cuanto menor es el contenido de oxígeno en la vasija del reactor, menor es el aumento de volumen. Por consiguiente, el diámetro de la chimenea de emergencia que debe descargar el volumen adicional también puede ser más pequeño. Importante para una limitación eficiente del contenido de oxígeno es siempre un sellado suficientemente bueno con respecto al ambiente para evitar en la medida de lo posible o de forma suficiente la entrada de aire falso que contenga oxígeno. Como se explica, sin embargo, no se requiere un sellado completo.

En otras palabras, en el marco de la presente invención, el contenido máximo de oxígeno en el recipiente de reacción se ajusta por lo tanto por medio del gas inerte, contenido máximo de oxígeno que se selecciona en el primer grupo de realizaciones en presencia de una chimenea sobre la base de un dimensionamiento de la chimenea o las chimeneas, o los medios de alimentación de gas están configurados para alimentar gas inerte o para ajustar el contenido de oxígeno sobre esta base. Los medios de alimentación de gas se pueden configurar también en particular para alimentarse de tal manera que no se exceda una presión objetivo. En el segundo grupo de realizaciones, también es posible que la alimentación tenga lugar en función de una concentración de oxígeno o de una presión objetivo y del dimensionamiento de la chimenea.

La cantidad de gas inerte introducido puede regularse mediante los correspondientes medios de regulación, en particular sobre la base de una medición de oxígeno en la vasija del reactor o en la chimenea, si existe, gracias a lo cual el contenido de oxígeno puede mantenerse constante durante el funcionamiento. Un concepto de seguridad correspondiente comprende según la invención que el funcionamiento del reactor se impida o se siga impidiendo cuando el contenido de oxígeno medido supere un contenido de oxígeno objetivo. Por ejemplo, una alimentación de hidrocarburos en los tubos de reacción y/o el calentamiento del mismo se puede liberar solo cuando un contenido de oxígeno requerido está por debajo. Cuando se detecta un fallo, el funcionamiento de la reacción con adición de hidrocarburos en los tubos de reacción puede evitarse generalmente.

Un escape no permitido de gas de los tubos de reacción puede detectarse, por ejemplo, mediante sensores de medición de la presión, en donde puede impedirse una alimentación de hidrocarburos en los tubos de reacción cuando se detecta un escape de gas para minimizar la cantidad total de hidrocarburos que se escapan.

Para detectar daños muy pequeños (flujo de fuga sin aumento drástico de la presión), puede medirse también continuamente el contenido de hidrocarburos en la vasija del reactor o la chimenea, si existe (por ejemplo, en forma de equivalente de monóxido de carbono). Asimismo, un valor no admisible puede dar lugar a que se impida la alimentación de hidrocarburos.

Por lo tanto, la presente invención abarca, de manera más general, que un valor que caracteriza un escape de gas del uno o más tubos de reacción se determine sobre la base de una medición de presión y/o hidrocarburo, y que una o más medidas de seguridad se inicien si el valor supera un valor umbral predeterminado.

Con el método propuesto según la invención para llevar a cabo una reacción química, se usa un reactor que tiene una vasija del reactor, uno o más tubos de reacción y medios para el calentamiento eléctrico del uno o más tubos de reacción. Según la invención, la vasija del reactor utilizada es una vasija del reactor que tiene uno o más orificios de descarga, que están permanentemente abiertos o están configurados para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado, y se alimenta un gas inerte según la invención en un interior de la vasija del reactor mediante el uso de medios de alimentación de gas.

Para características y ventajas adicionales de un método correspondiente, en el que se usa ventajosamente un reactor según uno de los desarrollos de la invención anteriormente explicados, se hace referencia a las explicaciones anteriores.

La invención se explica en mayor detalle a continuación con referencia a las figuras adjuntas, que ilustran realizaciones de la presente invención con referencia a y en comparación con la técnica anterior.

Descripción de las figuras

La FIG. 1 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según una realización no según la invención.

Las FIG. 2 y 4 a 8 ilustran esquemáticamente reactores para llevar a cabo una reacción química según una realización de la invención.

La FIG. 3 ilustra un reactor para llevar a cabo una reacción química.

La FIG. 9 ilustra esquemáticamente principios del dimensionamiento de la chimenea según una realización de la presente invención.

En las siguientes figuras, los elementos que se corresponden entre sí funcional o estructuralmente están indicados por símbolos de referencia idénticos y en aras de la claridad no se explican repetidamente. Si los componentes de los aparatos se explican a continuación, las explicaciones correspondientes también en cada caso se refieren a los métodos realizados con los mismos, y viceversa. La descripción de las figuras se refiere repetidamente al calentamiento por corriente alterna. Sin embargo, como se ha mencionado, la presente invención también es adecuada de la misma manera cuando se usa corriente directa para calentamiento. Se hace referencia en este contexto a las explicaciones anteriores.

La FIG. 1 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según una realización no según la invención.

El reactor indicado por 300 en la presente descripción se configura para llevar a cabo una reacción química. Para este fin, comprende un recipiente 10 de reactor que, en particular, está aislado térmicamente y un tubo 20 de reacción, en donde un número de secciones de tubo del tubo 20 de reacción, cuyas secciones se denotan en la presente descripción con 21 solo en dos casos, en cada caso atraviesan entre una primera zona 11' y una segunda zona 12' en el recipiente 10 de reactor. El tubo 20 de reacción, que se explicará en mayor detalle a continuación con referencia a la Figura 2, se fija a un techo del recipiente de reactor o a una estructura de soporte con medios 13 de suspensión adecuados. En una región inferior, el recipiente de reactor puede tener, en particular, una combustión (no se ilustra). Se entiende que, en este caso y a continuación, se pueden proporcionar varios tubos de reacción en cada caso.

La FIG. 2 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según la realización de la presente invención, que se indica como un conjunto por 100.

Las zonas anteriormente indicadas por 11' y 12' adoptan aquí la forma de regiones 11 y 12, en las que las secciones 21 de tubo para calentar las secciones 21 de tubo en las primeras regiones 11 pueden conectarse eléctricamente en cada caso a las conexiones de fase U, V, W de una fuente de corriente alterna polifásica 41 a través de elementos 42 de conexión, como resultado de lo cual se forman medios denotados en conjunto por 40 para calentar eléctricamente el tubo 20 de reacción. No se ilustran los conmutadores y similares, así como el tipo específico de conexión. En el desarrollo de la invención ilustrada aquí, las secciones 21 de tubo se conectan eléctricamente a nivel conductivo entre sí en las segundas regiones 12 por medio de un elemento 30 de conexión que está conectado integralmente al uno o más tubos 20 de reacción y se dispone dentro de la vasija 10 del reactor. Se puede conectar también un conductor neutro al elemento de conexión 30.

En el ejemplo ilustrado aquí, se realiza por lo tanto un circuito en estrella de una pluralidad de fases de corriente alterna. Como se ha mencionado varias veces, la invención, sin embargo, puede proporcionarse también usando calentamiento de corriente alterna monofásica, calentamiento de corriente continua u otros medios para calentar, por ejemplo, para calentamiento inductivo o indirecto en el sentido explicado anteriormente.

En el reactor 100 ilustrado aquí, una pluralidad de secciones 21 de tubo de un tubo 20 de reacción (aunque se puede proporcionar una pluralidad de dichos tubos 20 de reacción) se disponen, por lo tanto, lado a lado en la vasija 10 del reactor. Las secciones 21 de tubo pasan entre sí a través de los codos en U 23 (solo se indican parcialmente) y se conectan a una sección 24 de alimentación y una sección 25 de extracción.

Un primer grupo de los codos en U 23 (en la parte inferior en la figura) está dispuesto uno al lado del otro en la primera región 11 y un segundo grupo de los codos en U 23 (en la parte superior en la figura) está dispuesto uno al lado del otro en la segunda región 12. Los codos en U 23 del segundo grupo se forman en el elemento 30 de conexión, y las secciones 21 de tubo se extienden desde el elemento 30 de conexión en la segunda región 12 hasta la primera región 11. Los elementos de entrada de potencia 52 pueden diseñarse según se desee, por ejemplo rígidos, y, con secciones en forma de varilla, pueden pasar a través de una pared de la vasija 10 del reactor.

Los medios para alimentar un gas inerte en la vasija del reactor se indican en su conjunto por 50. Como se ilustra mediante las flechas 53 (sólo parcialmente indicadas en consecuencia), el gas inerte se introduce en la vasija 10 del reactor en particular a través de aberturas, toberas o similares en la pared en una o más paredes de la vasija 10 del reactor. Para proporcionar y alimentar el gas inerte, se proporcionan medios de alimentación de gas adecuados, que se ilustran aquí también de una manera altamente simplificada y que comprenden, por ejemplo, uno o más tanques 51 de gas y las líneas 52 correspondientes.

La FIG. 3, que no constituye una realización de la invención, ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química que se indica en general por 200.

En el reactor 200, las secciones de tubos -indicadas aquí en contraste por 22- comprenden en cada caso una sección 22 de tubos que consiste en una pluralidad de tubos 20 de reacción, en la que las secciones 22 de tubos están dispuestas una al lado de la otra en la vasija 10 del reactor de forma no conectada fluídicamente y están en cada caso conectadas a las secciones 24 de alimentación y a las secciones 25 de extracción. En cuanto a los otros elementos, se hace referencia expresamente a las explicaciones anteriores con respecto a las figuras anteriores.

A su vez, el uso de un elemento 30 de conexión dentro del marco de la presente invención es opcional, aunque ventajoso en particular cuando se usa un calentador de corriente alterna polifásico. También aquí, los elementos 42 de entrada de potencia se ilustran de una manera muy simplificada. La alimentación del gas inerte según las flechas 53 tiene lugar aquí como se ha explicado de manera sustancial anteriormente. Los elementos 42 de entrada de potencia pueden tener una región 43 similar a un manguito, que se fija a ellos y se coloca en la primera región 11 alrededor de los tubos 20 de reacción o de las secciones de tubo.

Las FIG. 4 a 8 muestran vistas parciales de reactores según las realizaciones de la presente invención en una ilustración simplificada adicional, en donde también se ilustra una chimenea 60 en cada caso. Los medios 50 de alimentación de gas para alimentar el gas inerte no se muestran, ni son los medios 40 para calentamiento eléctrico. El tubo 20 de reacción se ilustra con los codos en U según la FIG. 2.

Se indica solo una alimentación de gas inerte en un lugar con una flecha 53.

Como se ilustra en la FIG. 4 con una flecha 54, el aire falso puede pasar a la vasija 10 del reactor a través de una o más entradas de aire falso. En la realización ilustrada aquí, la vasija 10 del reactor tiene un orificio 61 de descarga permanentemente abierto conectado a la chimenea 60. El suministro de gas inerte y las altas temperaturas en la vasija 10 del reactor en relación con un extremo 63 de la chimenea 60 dan como resultado un flujo ilustrado por las flechas 64. En la vasija del reactor, las altas temperaturas conducen a una presión estática poaja, que está por debajo de la presión atmosférica pAtm en los alrededores adyacentes cuando la alimentación de gas inerte se lleva a cabo de manera adaptada. En otras palabras, la cantidad de gas de purga no se selecciona aquí para que sea demasiado grande. Con una cantidad muy grande de gas de purga, la pérdida de presión en la chimenea 60 llevaría a que la presión interna en la vasija 10 del reactor se acercara o incluso superara la presión externa.

En esta realización con presión negativa en la vasija del reactor, esta cantidad evita que se produzca un flujo de retorno del aire ambiente en la vasija 10 del reactor; también se compensan las bajas entradas de aire falso debidas a un sellado insuficiente. El suministro de gas inerte a la vasija 10 del reactor puede regularse en particular mediante una medición 65 de oxígeno en la chimenea 60, de modo que el contenido de oxígeno pueda mantenerse constante durante el funcionamiento.

En contraste con la realización según la FIG. 4, la vasija 10 del reactor según la FIG. 5 funciona a un nivel de presión superatmosférico, en donde el gas inerte se alimenta continuamente a la vasija 10 del reactor. La vasija 10 del reactor tiene un orificio 62 de descarga, por ejemplo, en forma de un disco de estallido (disco de seguridad), que se configura para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado.

En esta realización alternativa con funcionamiento presurizado, el suministro de gas inerte compensa fugas bajas de gas en la atmósfera, que se ilustran aquí mediante una flecha 55. En este caso, la cantidad de purga puede regularse mediante una medición de presión en la vasija 10 del reactor. Para la purga continua de gas inerte, se puede proporcionar una abertura de salida correspondientemente dimensionada en una ubicación segura (en la región de la chimenea 60 o en otra ubicación no accesible y no peligrosa), de modo que se produzca una corriente 66 desde la vasija 10 del reactor.

Como en la realización según la FIG. 5, la vasija 10 del reactor según la FIG. 6 funciona a un nivel de presión superatmosférica. En este caso también, la vasija 10 del reactor tiene un orificio 62 de descarga, por ejemplo en forma de un disco de estallido (disco de seguridad), que está configurado para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado. Sin embargo, no se proporciona un flujo continuo de gas inerte, de modo que la corriente 66 no se forma en esta realización.

En esta realización alternativa con funcionamiento presurizado, se lleva a cabo una purga durante la inertización inicial, por ejemplo, solo durante la preparación del funcionamiento. Durante el funcionamiento adicional, solo se añade continuamente o en intervalos la cantidad de ecualización de gas inerte que fluye durante la fuga desde la vasija del reactor a la atmósfera. En esta realización, por lo tanto, no hay salida permanentemente abierta para el gas inerte a la atmósfera durante el funcionamiento normal.

En las realizaciones según la FIG. 4 a 6, el funcionamiento del reactor con hidrocarburos se libera ventajosamente sólo cuando está por debajo de un contenido de oxígeno requerido.

En las realizaciones según las FIG. 4 y 5 con purga continua, el contenido de oxígeno se mide preferentemente en la descarga del gas de purga aguas abajo de la vasija 10 del reactor (por ejemplo, en la chimenea 60 u otra línea de descarga). Adicional o alternativamente, el contenido de oxígeno también puede medirse mediante métodos de medición adecuados (por ejemplo, láser de diodo sintonizable, sondas de óxido de circonio, paramagneto GC) en uno o más puntos de la región de la vasija 10 del reactor. En la realización según la FIG. 6, el contenido de oxígeno se puede medir análogamente en una línea de descarga de gas de purga usada opcionalmente para la inertización inicial y/o en la propia vasija 10 del reactor. Además, según las realizaciones según las FIG. 5 y 6, la presión dentro de la vasija del reactor puede medirse y vigilarse continuamente de manera temprana, para detectar una pérdida de gas inerte inadmisible.

Como se indica en dibujos más detallados a continuación, la chimenea 60 en todas las realizaciones ilustradas anteriormente puede tener elementos estructurales (llamados sellos de velocidad/confusores) en particular en la región de la pared de la chimenea para evitar flujos de retorno de aire (por ejemplo, debido a flujos de convección libre) de vuelta a la vasija 20 del reactor.

La FIG. 7 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según una realización de la invención en una extensión con respecto a la ilustración según las figuras anteriores, en donde los elementos ya explicados anteriormente están en parte no ilustrados de nuevo. Para una explicación adicional, se hace referencia en particular a la FIG. 4 anterior.

Como se ilustra aquí, en la región de la salida 63 de la chimenea pueden instalarse adicionalmente dispositivos de encendido o quemadores piloto 68 para evitar, al menos parcialmente, el escape de hidrocarburos sin quemar a la atmósfera en caso de catástrofe. Como se ilustra adicionalmente, el gas inerte puede alimentarse a la vasija 10 del reactor en diferentes lados. Una pared de la vasija 10 del reactor y los pasajes de pared de las fijaciones o dispositivos de entrada de energía, que pueden diseñarse ventajosamente para ser estancos al gas, se indican mediante 15. I y O indican una alimentación de gas de proceso y una eliminación del gas de proceso del tubo 20 de reacción.

La FIG. 8 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según una realización de la invención en una extensión con respecto a la ilustración según la FIG. 7 o una variante de la misma. Los componentes ya explicados con respecto a la FIG. 7 están de nuevo parcialmente no provistos con signos de referencia aquí.

Como se ilustra aquí, la chimenea 60 puede tener un aislamiento 69 adecuado en una región contigua a la vasija 10 del reactor. La chimenea 70 puede tener una altura h de, por ejemplo, 20 a 50 metros por encima del suelo. Se puede proporcionar una denominada junta 66 de velocidad en la chimenea 60.

La FIG. 9 ilustra esquemáticamente los principios de dimensionamiento de chimeneas según una realización de la presente invención en forma de gráfico, en el que un contenido de oxígeno en porcentaje se representa en las abscisas y una velocidad de aumento de volumen relacionada con la reacción en m3/s se representa en las ordenadas. Un gráfico 601 representa la relación ya explicada anteriormente con referencia a la tabla. Una línea discontinua 602 indica valores requeridos para un aumento de presión máximo de 20 mbar en el caso de un diámetro de chimenea de 500 mm; una línea discontinua 603 indica valores correspondientes en el caso de un diámetro de chimenea de 900 mm.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES

   i.Reactor (100, 200) para llevar a cabo una reacción química, que tiene una vasija (10) del reactor, uno o más tubos (20) de reacción y medios (40) para el calentamiento eléctrico de uno o más tubos (20) de reacción, guiándose los tubos (20) de reacción a través del reactor (100, 200) con al menos un codo en U o extendiéndose a través de dicho reactor sin codos en U,caracterizado porquela vasija (10) del reactor tiene uno o más orificios (61,62) de descarga que están permanentemente abiertos o están diseñados para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado, yporquese proporcionan medios (50) de alimentación de gas que están diseñados para alimentar un gas inerte en la vasija (10) del reactor, yporquelos medios que se proporcionan están diseñados para evitar un funcionamiento de la reacción si un contenido de oxígeno y/o presión y/o contenido de hidrocarburos medido en la vasija (10) del reactor y/o en una línea de descarga aguas abajo de la vasija del reactor excede un valor predeterminado en cada caso.
2. 2. Reactor (100, 200) según la reivindicación 1, que está diseñado para llevar a cabo la reacción química a un nivel de temperatura de más de 500 °C, en particular de 700 °C a 1000 °C.
3. 3. Reactor (100, 200) según cualquiera de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde uno o más orificios de descarga (61) están abiertos permanentemente.
4. 4. Reactor (100, 200) según cualquiera de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde uno o más orificios (62) de descarga están cerrados por debajo del nivel de presión predeterminado y están diseñados para abrirse temporal o permanentemente cuando se alcanza el nivel de presión predeterminado.
5. 5. Reactor (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los medios (50) de alimentación de gas están diseñados para alimentar continuamente el gas inerte a la vasija (10) del reactor.
6. 6. Reactor (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los medios (50) de alimentación de gas están diseñados para suministrar el gas inerte a la vasija (10) del reactor una vez o de forma periódica.
7. 7. Reactor (100, 200) según la reivindicación 3, en donde la vasija (10) del reactor está diseñada para funcionar a un nivel de presión subatmosférico y tiene medios para formar un flujo de gas desde la vasija (10) del reactor.
8. 8. Reactor (100, 200) según la reivindicación 4, en donde la vasija (10) del reactor está diseñada para funcionar a un nivel de presión superatmosférico.
9. 9. Reactor (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los medios (50) de alimentación de gas están diseñados para proporcionar, como gas inerte, un gas o una mezcla de gases que tiene nitrógeno, dióxido de carbono y/o argón en un contenido superatmosférico en cada caso.
10. 10. Reactor (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde uno o más orificios (61, 62) de descarga están conectados a una o más chimeneas (60).
11. 11. Reactor (100, 200) según la reivindicación 10, en donde los medios (50) de alimentación de gas están diseñados para ajustar un contenido máximo de oxígeno en el recipiente (10) de reacción sobre la base de un dimensionamiento de la una o más chimeneas (60).
12. 12. Reactor (100, 200) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde los medios (50) de alimentación de gas están diseñados para regular una cantidad de gas inerte sobre la base de una medición de oxígeno.
13. 13. Método para llevar a cabo una reacción química, en donde se usa un reactor (100, 200), que tiene una vasija (10) del reactor, uno o más tubos (20) de reacción y medios (40) para el calentamiento eléctrico de uno o más tubos (20) de reacción, guiándose los tubos (20) de reacción a través del reactor (100, 200) con al menos un codo en U o extendiéndose a través de dicho reactor sin codos en U,caracterizado porquela vasija (10) del reactor utilizada es un recipiente (10) del reactor que tiene uno o más orificios (61,62) de descarga que están permanentemente abiertos o están diseñados para abrirse por encima de un nivel de presión predeterminado, y se alimenta un gas inerte a la vasija (10) del reactor usando medios (50) de alimentación de gas, y porque los medios que se usan están diseñados para evitar un funcionamiento de la reacción si un contenido de oxígeno y/o una presión y/o un contenido de hidrocarburos medido en la vasija (10) del reactor y/o en una línea de descarga aguas abajo de la vasija del reactor excede un valor predeterminado en cada caso.