IT9048317A1 - Procedimento ed apparato per l'effettuazione di reazioni catalitiche e endotermiche a media ed alta temperatura - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo: "PROCEDIMENTO ED APPARATO PER L'EFFETTUAZIONE DI REAZIONI CATALITICHE ENDOTERMICHE A MEDIA ED ALTA TEMPERATURA",

La presente invenzione riguarda il settore della chimica industriale, e più precisamente si riferisce ad un procedimento per effettuare le reazioni catalitiche endotermiche a media ed alta temperatura. Forma parte integrante dell'invenzione la apparecchiatura che consente l'attuazione del procedimento .

Un campo particolarmente vantaggioso per l'applicazione della presente invenzione è costituito da quelle reazioni endotermiche che nella attuale pratica industriale vengono effettuate in letti catalitici adiabatici disposti in serie, ed il calore necessario viene ceduto preriscaldando la carica all'ingresso del reattore catalitico a temperature più elevate di quella di reazione. Nel letto catalitico adiabatico la carica poi si raffredda, cedendo il suo calore sensibile che viene utilizzato per la reazione. Le applicazioni industriali di questo sistema di reazione sono assai numerose; a titolo di esempio, si possono citare le seguenti:

- Il reforming catalitico delle benzine, per la produzione di carburanti-ad alto numero di ottano;

La deidrogenazione catalitica del propano a propilene ;

- La deidrogenazione catalitica dell'etilbenzolo a stirolo .

Le attuali apparecchiature note, provviste di letti catalitici adiabatici disposti in serie, presentano numerosi inconvenienti, tra cui si elencano qui di seguito i maggiori:

A)- La caduta di temperatura attraverso il letto catalitico deve essere tollerabile sia dal punto di vista della velocità di reazione, sia dal punto di vista dell'equilibrio per la resa in prodotto. Poiché la reazione non può essere condotta ad una temperatura più elevata di quella all'uscita del letto catalitico, si otterranno delle rese inferiori, essendo le reazioni endotermiche favorite da un aumento di temperatura .

B)— La caduta di pressione attraverso il sistema è più elevata rispetto a quella di un reattore isotermo, in quanto nel sistema adiabatico, a causa delle limitazioni nelle cadute di temperatura attraverso il letto cataliticoy, occorre prevedere più reattori e forni di riscaldamento in serie. Così, nel caso degli impianti di reforming catalitico delle benzine, sono previsti quattro forni' e quattro letti catalitici adiabatici in serie.

Da quanto sopra, ne deriva che nel sistema adiabatico la pressione varia in un intervallo più ampio di quello relativo ad un sistema isotermo; di conseguenza, la pressione in un sistema adiabatico differisce in maggior misura dal valore ottimale desiderato .

In reazioni di deidrogenazione, che avvengono con aumento del volume di reazione (ad esempio deidrogenazione dell'etilbenzolo a stirolo, del propano a propilene, ecc.) la reazione è favorita da bassa pressione.

Nel caso di reforming catalitico delle benzine, una bassa pressione di reazione favorisce la formazione di coke che si deposita sul catalizzatore deattivandolo .

La maggior caduta di pressione attraverso il sistema di reazione inoltre causa in molti casi un maggior consumo di energia, specialmente quando è necessario riciclare al reattore alcuni composti separati dal prodotto della reazione, come avviene nel reforming catalitico delle benzine, ove è necessario riciclare l'idrogeno per diminuire la formazione di coke sul catalizzatore.

Scopo dell'invenzione, è quello di realizzare un procedimento ed una apparecchiatura in cui i suddetti inconvenienti risultano eliminati.

Vantaggi e caratteristiche dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue, facendo riferimento ai disegni .allegati, che rappresentano a titolo di esempio non limitativo una preferita forma di esecuzione dell'invenzione stessa.

Nei disegni:

- La fig. 1 rappresenta schematicamente l'apparato secondo l'invenzione.

- La fig. 2 mostra in dettaglio il sistema di linee e valvole per collegare il reattore al sistema di reazione e al sistema di rigenerazione.

La fig. 3 rappresenta il sistema di reazione adiabatico, di per sè noto, equivalente a quello che forma oggetto della presente invenzione.

- La fig. 4 mostra in dettaglio i tubi catalitici secondo la presente invenzione.

Le figg. 5a e 5b rappresentano in dettaglio il reattore secondo l'invenzione, visto rispettivamente in sezione verticale ed orizzontale.

- La fig. 6 rappresenta in dettaglio il sistema di controllo del trasferimento di calore dai bruciatori radianti ai tubi catalitici.

- La fig. ? rappresenta in dettaglio il sistema di recupero dei reagenti e del prodotto dai tubi catalitici prima di effettuare la bonifica del reattore per poter poi procedere alla rigenerazione del catalizzatore.

Con riferimento alla fig. .1, l'apparato oggetto della presente invenzione risulta costituito dallo scambiatore di calore 2, dai reattori 3 e 5, e dal sistema di rigenerazione del catalizzatore 8. La presenza di quest'ultimo può essere faccoltativa, a seconda che durante la reazione si abbia o meno la deattivazione del catalizzatore.

I reagenti vengono immessi attraverso la linea 1, e si preriscaldano scambiando calore con il prodotto della reazione nello scambiatore 2 prima di essere inviati al reattore 3 dove avviene la reazione. Il prodotto della reazione è inviato, attraverso la linea 4, al sistema di recupero dopo essersi raffreddato nello scambiatore 2.

Il reattore 5 è collegato attraverso le linee 6 e 7 al sistema di rigenerazione 8.

si possono avere uno o più reattori collegati in parallelo con lo scambiatore 2, a seconda della capacità dell'impianto, della velocità di deattivazione del catalizzatore, e del tempo necessario per la rigenerazione del catalizzatore.

Il sistema di rigenerazione è completamente separato dal sistema di reazione, mediante un complesso di tubazioni e valvole mostrato in figura 2.

Con riferimento alla figura 2, nella quale uguali numeri di riferimento stanno ad indicare parti già descritte, la linea 1 di introduzione dei reagenti nel reattore 3 è collegata con lo scambiatore di calore 2 attraverso la linea 9 e la valvola 10, e al sistema di rigenerazione 8 attraverso la linea 11 e la valvola 12.

La linea 13 di estrazione del prodotto dal reattore 3 è collegata con lo scambiatore 2 attraverso la linea 14 e la valvola 15, ed è collegata con il sistema di rigenerazione 8 attraverso la linea 16 e la valvola 17-Il gas inerte necessario per la bonifica del reattore prima della rigenerazione viene immesso attraverso la linea 18 e la valvola 19, mentre il contenuto del reattore viene spurgato attraverso la linea 20 e la valvola 21, in modo da realizzare un flusso a pistone e diminuire così la quantità di gas inerte necessaria per la bonifica del reattore. Durante la fase operativa il reattore 3 è collegato con lo scambiatore di calore 2 attraverso le linee 9 e 14, e tutte le valvole sono chiuse, ad eccezione delle valvole 10 e 15·

Quando il catalizzatore deve essere rigenerato, il reattore 3 viene isolato chiudendo gradualmente le valvole 10 e 15, ed inviando allo stesso tempo i reagenti all1 altro reattore precedentemente rigenerato.

Una volta che le valvole 10 e 15 sono completamente chiuse, inizia la depressurizzazione del reattore 3 attraverso la linea 2u aprendo gradualmente la valvola 21. Allorché la pressione nei tubi catalitici raggiunge il valore di depressurizzazione, inizia l'immissione di gas inerte attraverso la linea 18 aprendo gradualmente la valvola 19-L'immissione di gas inerte viene continuata fino a quando tutto il contenuto del reattore è stato rimosso. A questo punto, le valvole 19 e 21 vengono chiuse, e vengono aperte le valvole 12 e 17, ed il reattore 3 è collegato con il sistema di rigenerazione 8 attraverso le linee 11 e 16 per l'inizio della rigenerazione .

Una volta completata la rigenerazione, le valvole 12 e 17,vengono chiuse, ed il reattore 3 è nuovamente pronto per essere inserito nel ciclo di reazione. Ovviamente, tutte le operazioni di apertura e di chiusura delle valvole possono essere automatizzate .

In figura 3 è illustrato il sistema adiabatico tradizionale. 1 reagenti nel condotto di alimentazione 1 vengono inviati al primo reattore adiabatico 22 dopo essere stati preriscaldati nello scambiatore 2 e nel forno 23- Nel reattore 22 la reazione avviene parzialmente, ed è quindi necessario preriscaldare nuovamente l'effluente dal detto reattore 22 nel forno 25 prima di inviarlo al reattore 6.

L'effluente dal reattore 26 deve nuovamente essere preriscaldato nel forno 27 prima di essere inviato al reattore 28 ove viene completata la reazione. 11 prodotto ottenuto dal reattore 28 è poi inviato al recupero attraverso la linea 4 .dopo essere stato raffreddato nello scambiatore 2. Il reattore 30 è in fase di rigenerazione del catalizzatore, ed è collegato con il sistema di rrgenerazione 29 attraverso le linee 31 e 32.

Nella figura 4 è illustrato,il particolare di uno dei tubi catalitici del dispositivo secondo l'invenzione. Con riferimento a tale figura, i reagenti vengono immessi nei tubi catalitici attraverso il bocchello 33. Il tubo catalitico è costituito da un tubo esterno 34 e da un tubo interno coassiale 37, in modo da formare un vano a sezione anulare 39 che viene riempito di catalizzatore per tutta la lunghezza del tubo esterno 34 esposta all'irraggiamento di calore emesso dai bruciatori disposti nella camera radiante.

Il catalizzatore può essere caricato per gravità nel vano anulare 39 attraverso il portello flangiato 36, ed evacuato dal detto vano anulare con un aspiratore per la sua eventuale sostituzione sempre attraverso il detto portello 36.

I reagenti immessi nel tubo catalitico attraverso tutto il letto di catalizzatore disposto nel vano anulare 39 assorbono il calore necessario per la reazione attraverso il tubo 34 esposto all'irraggiamento del calore emesso dai bruciatori.

II prodotto di reazione risale verticalmente all'interno del tubo 37 ed esce dal bocchello 35. In funzione del gradiente di temperatura desiderato lungo lo sviluppo in lunghezza del letto catalitico, all'interno del tubo 37 può essere installato un promotore dello scambio di calore 38 per promuovere uno scambio di calore tra i reagenti ed i prodotti della reazione. Ciò può essere conveniente anche nel caso di reattori isotermi per meglio stabilizzare la temperatura di reazione ed in quei casi nei quali, per motivi di stabilità termica dei reagenti, non sia possibile preriscaldarli fino alla temperatura di reazione in assenza di catalizzatore.

Le figure 5a e 5b mostrano in dettaglio il reattore a gradiente di temperatura controllato e/o isotermo in una sua preferita forma di realizzazione.

I tubi catalitici 40 sono immersi nella camera radiante 41 dotata di bruciatori radianti orizzontali 42.

I reagenti sono alimentati al reattore attraverso il collettore 45 e le linee 47, mentre i prodotti della reazione sono raccolti dalle linee 48 e convogliati al collettore 46. Il combustibile e l'aria di combustione sono inviati ai bruciatori 42 attraverso la linea 44.

Il calore necessario per la reazione è trasmesso dalla superficie radiante dei bruciatori ai tubi catalitici 40 prevalentemente per irraggiamento. Ogni fila orizzontale di bruciatori interessa una fascia o zona verticale dei tubi .catalitici, e pertanto è possibile, variando la quantità di combustibile inviato ad una fila orizzontale di bruciatori, variare la quantità di calore trasmessa ai tubi catalitici lungo la loro lunghezza secondo le esigenze della reazione chimica endotermica che deve essere effettuata.

Al fine di migliorare il trasferimento di calore, i gas combusti sono convogliati verso il basso, aumentando così la turbolenza del loro moto, ed inviati alla sezione convettiva 'del reattore attraverso i canali 49.

I tubi catalitici sono fissati alla camera radiante in corrispondenza del loro estremo superiore, e sono liberi di dilatarsi verso il basse per effetto dell'aumento di temperatura allorché il reattore funziona. Essendo i tubi catalitici fissati in alto, i bocchelli di ingresso delle linee 47 e quelli di uscuita delle linee 48 non subiscono praticamente spostamenti verticali per effetto della dilatazione termica, rendendo superfluo l'impiego di connessioni flessibili tra i tubi catalitici ed i collettori 45 e 46.

Nella figura 6 è rapresentato lo schema di controllo della quantità di combustibile bruciata dalle file orizzontali di bruciatori 42 per assicurare la condizione isoterma o il gradiente di temperatura desiderato nel letto di catalizzatore. Il combustibile, premiscelato o meno con l'aria, è inviato ai bruciatori 50, 51, 52, 53, 54, 55, e 56 attraverso la linea 57·

La quantità di combustibile bruciato in ogni fila orizzontale di bruciatori è controllata dai regolatori di portata 58, 59, 60, 61 e 62 per mezzo delle valvole di controllo 63, 64, 65, 66 e 67.

Nella figura 6 ciascun tubo catalitico 40 è stato diviso in cinque zone verticali, e ad ogni zona verticale corrisponde una o due file orizzontali di bruciatori. Per ogni zona verticale viene misurata la temperatura del fluido nel letto di catalizzatore attraverso i misuratori di temperatura 68, 69, 70, 71 e 72. 1 . reagenti vengono immessi nel reattore attraverso la linea 33, la loro portata è misurata dal misuratore di portala 73, e la loro temperatura è misurata dal misuratore di temperatura 74.

Il prodotto della reazione esce dal reattore attraverso la linea 35· Un sistema di controllo dei bruciatori 75, assistito dal modello matematico del reattore, calcola la quantità di combustibile da bruciare nelle varie file orizzontali di bruciatori sulla base della portata e temperatura dei reagenti, e delle temperature ' delle zone verticali dei tubi catalitici, e riaggiusta il punto di controllo dei regolatori di portata da 58 a 62 in modo da realizzare la condizione isoterma o il gradiente di temperatura desiderato nel letto di catalizzatore.

In un reattore ovviamente sono presenti più tubi catalitici, ed i misuratori di temperatura sono installati solo in alcuni tubi catalitici pilota, scelti opportunamente a seconda della geometria del reattore; di conseguenza, per ogni .zona verticale viene misurata una temperatura per ogni tubo pilota, ed il sistema di controllo assume la temperatura media ai fini del calcolo della quantità di combustibile da bruciare .

Il numero di zone verticali dei tubi catalitici dipende dalla particolare reazione che deve essere effettuata, come pure il numero di file di bruciatori per ogni zona.

Il sistema di controllo 75 è inoltre previsto per il controllo dei bruciatori nei regimi transitori, con particolare riferimento all'arresto di un reattore prima della rigenerazione del catalizzatore, ed alla messa in esercizio del reattore dopo la rigenerazione.

Nella figura 7 è mostrato il sistema di recupero dei reagenti e del prodotto contenuti nel reattore, prima della bonifica per effettuare la rigenerazione del catalizzatore. Le reazioni endotermiche a media ed alta temperatura sono generalmente effettuate -in fase gassosa. li prodotto proveniente dai reattori attraverso la linea 76 è inviato ad un refrigerante 77 ove viene raffreddato. Durante il raffreddamento, si ha generalmente una condensazione parziale. La miscela di liquido e vapore ottenuta è inviata al separatore 79. Il liquido separato è inviato ad una pompa di recupero del prodotto attraverso la linea 80, mentre il vapore viene inviato al compressore 8i attraverso la linea 82. Il vapore compresso è poi inviato al recupero del prodotto attraverso la linea 83.

Il sistema di recupero dei reagenti e del prodotto ottenuto durante la depressurizzazione del reattore, oggetto della presente invenzione, prevede la aspirazione dei reagenti e del prodotto provenienti dal reattore che deve essere rigenerato attraverso la linea 76 e l'eiettore 84 che comprime i reagenti ed il prodotto sino alla pressione di aspirazione del compressore 81. Il fluido motore, insieme ai reagenti ed al prodotto, viene poi reimmesso nella linea 85 attraverso la linea 86. L'eiettore utilizza come fluido motore una piccola parte del vapore compresso dal compressore 81.

Con il sistema sopra descritto, è possibile depressurizzare il reattore da rigenerare sino a bassa pressione, recuperando così la gran parte dei reagenti e del prodotto contenuti nei tubi catalitici allorché il reattore è messo fuori servizio per la rigenerazione .

Il procedimento e l'apparecchiatura secondo la presente invenzione permettono quindi di eliminare gli svantaggi che si riscontrano nei sistemi di reazione adiabatici, in quanto è possibile effettuare le reazioni endotermiche in condizioni isoterme, o seguendo un gradiente di temperatura ottimizzato, e con una minore caduta di pressione tra ingresso ed uscita del sistema di reazione.

Inoltre, in quei casi ove è richiesto di rigenerare periodicamente e frequentemente il catalizzatore per mantenerlo attivo, il sistema di disinserimento e bonifica del reattore da rigenerare e di inserimento del reattore rigenerato permette di operare il sistema di reazione con continuità, senza disturbi nel processo, e di effettuare la bonifica del reattore da rigenerare con una perdita trascurabile di reagenti e di prodotto, e con un consumo minimo di gas inerte.

Da quanto precede, risulta con tutta evidenza che il procedimento e l'apparato secondo l'invenzione consentono di raggiungere numerosi e sostanziali ventaggi, tra cui:

1 )- Effettuazione delle reazioni endotermiche in condizioni isoterme, o secondo un gradiente di temperatura ottimizzato, con conseguente aumento della resa del prodotto. Inoltre, potendo operare ad una temperatura più elevata rispetto a .quelle che si riscontrano nei reattori adiabatici, si ha un incremento della velocità di reazione, con conseguente possibilità di ridurre la quantità di catalizzatore richiesta .

2)- Minore caduta di pressione attraverso l'apparato di reazione, con il vantaggio di poter operare in un intervallo di pressione, tra ingresso e uscita dal letto catalitico, più prossimo alla pressione ottimale di reazione.

3 )- Rigenerazione del catalizzatore senza variare la capacità operativa dell'impianto, e senza disturbare il funzionamento del circuito di reazione.

4)- Depressurizzazione del reattore, prima della bonifica per la rigenerazione del catalizzatore, con una perdita minima di reagenti e di prodotto, ed effettuazione della bonifica con un consumo minimo di gas inerte.

5)- Modulazione del calore trasmesso dai bruciatori radianti ai tubi catalitici, ed eliminazione delle tubazioni flessibili per l'immissione dei reagenti nei tubi catalitici, e l'estrazione del prodotto dai tubi stessi .

6)- Eliminazione dei supporti elastici dei tubi catalitici per compensare il loro allungamento a seguito della dilatazione termica.

La presente invenzione è stata illustrata e descritta con riferimento ad una sua preferita forma di esecuzione, ma si intende che varianti esecutive e/o costruttive potranno esservi in pratica apportate da un esperto del ramo, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione della presente privativa industriale .

Claims (18)

1. RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per l'effettuazione di reazioni catalitiche endotermiche, caratterizzato dal fatto che la reazione viene compiuta in un unico reattore, costituito da uno o più elementi tubolari contenenti il catalizzatore disposti in parallelo, ed il calore necessario per la reazione viene fornito prevalentemente per irraggiamento da una pluralità di bruciatori all'infrarosso disposti a schiera in posizione prospiciente e perpendicolare ai tubi contenenti il catalizzatore in modo da riscaldarne l'intera lunghezza per zone o fasce parallele fra loro .
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il trasferimento di calore dai bruciatori ai tubi viene effettuato in modo controllato, così da avere condizioni di reazione isotermiche, oppure secondo un gradiente di temperatura ottimale nel letto catalitico.
3. 3. Procedimento secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che la reazione viene condotta in due o più reattori in parallelo, nel caso in cui sia necessario rigenerare periodicamente e frequentemente il catalizzatore.
4. 4. Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto che ogni reattore può essere collegato sia al circuito di reazione, sia al circuito separato di rigenerazione del catalizzatore.
5. 5. Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che è prevista una fase di recupero, attraverso la compressione con un eiettore, dei reagenti e del prodotto presenti nel reattore prima di effettuale la bonifica del reattore stesso, per la successiva rigenerazione del catalizzatore.
6. 6. Procedimento secondo le rivendicazioni da 3 a 5. caratterizzato dal fatto che il reattore o i reattori possono essere bonificati rimuovendo i reagenti ed il prodotto presenti nel reattore con un flusso di gas inerte del tipo a pistone.
7. 7. Procedimento secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che viene utilizzato come fluido motore dell'eiettore una parte del flusso del vapore compresso inviato alla sezione di recupero del prodotto .
8. 8. Procedimento secondo le rivendicazioni 5 e 6, caratterizzato dal fatto che la miscela costituita Cai fluido motore e dalla maggior parte di reagenti e prodotto presenti nel reattore prima della bonifica del reattore stesso viene riciclata nel circuito di reazione a monte del compressore del vapore che viene inviato alla sezione di recupero del prodotto.
9. 9. Procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di trasferimento dei reagenti da un reattore ad una altro diminuendo progressivamente la portata di reagenti al reattore che si desidera disinserire, ed aumentando la portata dei reagenti, dì entità corrispondente alla diminuzione, al reattore che si desidera inserire.
10. 10. Apparato per la realizzazione del procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto di comprendere uno o più reattori in parallelo, ciascuno dei quali è costituito da una camera radiante nella quale sono immersi verticalmente i tubi contenenti il catalizzatore, e da bruciatori infrarossi disposti in schiere orizzontali.
11. 11. Apparato secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che ciascun reattore comprende un tubo esterno ed un secondo tubo coassiale interno, in modo da formare un vano anulare ove viene disposto il catalizzatore, in cui i reagenti entrano dall'alto e percorrono il letto catalitico dall’alto in basse, per poi risalire verso l'alto attraverso il tubo interno, in modo che i bocchelli di ingresso dei reagenti e di uscita del prodotto vengano a trovarsi approssimativamente alla stessa altezza.
12. 12. Apparato secondo le rivendicazioni 10 e 11, caratterizzato dal fatto che i tubi catalitici sono fissati alla camera radiante in corrispondenza dei bocchelli di ingresso dei reagenti e dei bocchelli di uscita dei prodotti.
13. 13. Apparato secondo le rivendicazioni da 10 a 12, caratterizzato dal fatto che i tubi catalitici sono dotati alla estremità superiore di un portello per il carico e lo scarico del catalizzatore, ed uno o più dei detti tubi contengono degli elementi di misura della temperatura del- letto catalitico, le cui indicazioni vengono utilizzate per controllare la quantità di combustibile utilizzata dai bruciatori.
14. 14. Apparato secondo le rivendicazioni da 10 a 13, caratterizzato dal fatto che i detti bruciatori sono ubicati nella camera radiante su file orizzontali intervallate, in modo che ogni fila di bruciatori possa interessare una stessa fascia o zona verticale dei tubi catalitici.
15. 15. Apparato secondo le rivendicazioni da 10 a 14, caratterizzato dal fatto che nella camera radiante i detti bruciatori sono distribuiti su entrambi i lati dei tubi catalitici.
16. 16. Apparato secondo le rivendicazioni da 10 a 15 caratterizzato dal fatto che i tubi catalitici sono fissati alla camera radiante in corrispondenza della loro estremità superiore, così da permettere la libera dilatazione termica verso il basso.
17. 17. Apparato per la realizzazione del procedimento secondo le rivendicazioni da 1 a 3, caratterizzato dal fatto di comprendere uno o più reattori in parallelo, ciascuno dei quali è costituito da una camera radiante nella quale sono immersi orizzontalmente i tubi contenenti il catalizzatore, e da bruciatori infrarossi disposti in schiere verticali.
18. 18. Procedimento ed apparato per l'effettuazione di reazioni catalitiche endotermiche a media ed alta temperatura, secondo le rivendicazioni da 1 a 17, sostanzialmente come descritti ed illustrati nei disegni allegati.