ITRM960018A1 - Reattore catalitico isotermo per reazioni endotermiche ad alta tempe ratura - Google Patents

Reattore catalitico isotermo per reazioni endotermiche ad alta tempe ratura Download PDF

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Abstract

Reattore catalitico endotermico comprendente uno o più tubi verticali di catalisi contenenti ciascuno un letto di catalizzazione a sezione anulare con un'entrata superiore del prodotto da trattare e un condotto cilindrico concentrico di uscita dal basso verso l'alto del prodotto trattato. In tale reattore, detti tubi sono inseriti in altrettanti manicotti cilindrici ad essi concentrici, disposti parzialmente all'interno di una camera radiante in materiale refrattario, dove i gas di combustione provenienti dai condotti di uscita di un bruciatore adiabatico esterno lambiscono dall'alto verso il basso la parete esterna dei manicotti, per essere convogliati successivamente in condotti esterni alla camera radiante e immessi, nuovamente dall'alto, all'interno dei manicotti in modo tale da lambire la parete esterna dei tubi scambiando calore in equicorrente sia con i prodotti di reazione nei tubi di catalisi che con il flusso dei gas caldi nella camera radiante.

Description

"REATTORE CATALITICO ISOTERMO PER REAZIONI ENDOTERMICHE AD ALTA TEMPERATURA" ;
La presente invenzione ha per oggetto un reattore catalitico isotermo per reazioni endotermiche ad alta temperatura.
Dette reazioni sono caratterizzate da un elevato assorbimento di calore all'inizio della zona di reazione e da una richiesta di calore decrescente in modo esponenziale. Tipicamente, circa il 57% del calore di reazione è assorbito nel primo 25% del letto catalitico, mentre circa il 23% viene assorbito nel secondo 25% del letto catalitico, ed il restante 20% del calore di reazione viene assorbito nella seconda metà del letto catalitico.
E' anche noto che la condizione ideale nella quale far svolgere la reazione catalitica è quella di avere uno scambio termico a temperatura controllata costante, che consenta cioè di equilibrare la velocità della reazione, e il conseguente effetto termico, con il mantenimento delle condizioni di lavoro volute, al fine di avvicinarsi il più possibile ai valori di progetto, ottimizzando così il rendimento del reattore.
Al momento attuale, sono noti sostanzialmente due tipi di reattori catalitici per reazioni endotermiche ad alte temperature. Il primo tipo prevede un'azione diretta delle fiamme generate in un bruciatore sui tubi di catalisi, mentre il secondo tipo opera sfruttando per lo scambio termico un flusso di sali fusi o altri metodi similari.
Tuttavia, entrambe le soluzioni non sono pienamente soddisfacenti e presentano vari inconvenienti. Infatti, con il primo metodo risulta praticamente impossibile raggiungere alte temperature di servizio, se non correndo il pericolo di surriscaldamenti locali con la creazione di punti caldi e conseguente cracking dei reagenti, formazione di carbone e deattivazione del catalizzatore. I reattori endotermici a sali fusi, a parte il costo elevato sono difficili da gestire, in quanto è costante il rischio di rallentamenti o interruzioni, sia di rallentamenti o di interruzioni del flusso della massa fusa.
Uno scopo della presente invenzione è quello di superare tali inconvenienti, realizzando un reattore catalitico isotermo per reazioni endotermiche ad alta temperatura, di elevata efficienza, senza necessità di fare ricorso all'utilizzo di sali fusi o di metodi similari e che non preveda un contatto diretto della fiamma con i tubi di catalisi.
Un secondo scopo è quello di consentire la reazione catalitica in condizioni praticamente isotermiche e prossime ai valori ottimali di progetto .
Un terzo scopo è quello di realizzare uno scambio termico congruente con la richiesta di calore della reazione di catalisi.
A tali scopi si è pervenuti secondo la presente invenzione realizzando un reattore catalitico endotermico comprendente uno o più tubi verticali di catalisi contenenti ciascuno un letto di catalizzazione a sezione anulare con un'entrata superiore del prodotto da trattare e un condotto cilindrico concentrico di uscita dal basso verso l'alto del prodotto trattato. In tale reattore, detti tubi sono inseriti in altrettanti manicotti cilindrici ad essi concentrici, disposti parzialmente all'interno di una camera radiante in materiale refrattario, dove i gas di combustione provenienti dai condotti di uscita di un bruciatore adiabatico esterno lambiscono dall'alto verso il basso la parete esterna dei manicotti, per essere convogliati successivamente in condotti esterni alla camera radiante e immessi, nuovamente dall'alto, all'interno dei manicotti in modo tale da lambire la parete esterna dei tubi scambiando calore in equicorrente sia con i prodotti di reazione nei tubi di catalisi che con il flusso dei gas caldi nella camera radiante.
Secondo un'ulteriore caratteristica dell'invenzione, è anche previsto un riciclo parziale dei gas di combustione, realizzato mediante condotti di riciclo posti in uscita da un estrattore collocato a valle dei manicotti e a monte del bruciatore, capace di convogliare parte dei gas freddi dai manicotti in detti condotti, creando al tempo stesso una leggera depressione nei manicotti rispetto alla pressione di esercizio della camera, al fine di realizzare una distribuzione di gas uniforme nei vari manicotti .
Con la presente invenzione, si sono conseguiti i seguenti vantaggi:
il flusso di calore è congruente con lo sviluppo della reazione in condizioni praticamente isoterme ;
- viene evitato il problema inerente all'urto della fiamma del bruciatore con i tubi catalitici e alla formazione di punti caldi sulla parete dei tubi stessi ;
- il riciclo di parte dei gas combusti permette di ridurre la produzione di ossidi di azoto nel bruciatore adiabatico;
- l'impiego di materiale refrattario è limitato ed è necessario solo in corrispondenza della camera radiante ;
- preciso controllo della temperatura di uscita del prodotto dei tubi catalitici, grazie allo scambio di calore in equicorrente;
- elevata efficienza termica in quanto i gas combusti sono inviati alla sezione convettiva ad una temperatura leggermente superiore a quella di reazione .
L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni allegati, che rappresentano a titolo illustrativo e non già limitativo una forma preferita di esecuzione dell'invenzione stessa. Nei disegni :
- la fig.l rappresenta schematicamente un tubo catalitico secondo l'invenzione visto in sezione assiale ;
la fig.2 rappresenta schematicamente una sezione trasversale di un reattore secondo 1 'invenzione;
la fig.3 rappresenta schematicamente il sistema di combustione del reattore secondo 1 <1 >invenzione.
Con riferimento alla fig.l, è illustrato un tubo catalitico verticale 1, dotato in prossimità della parte superiore di un condotto 2 per l'ingresso del prodotto da trattare e, dalla parte opposta, della parte terminale esterna di un condotto 3 per l'uscita del prodotto trattato. Il condotto 3 è di forma tubolare allungata ed è disposto concentricamente all'interno del tubo 1, fino in prossimità del fondello inferiore di chiusura 5, mentre, per la chiusura superiore, è prevista una apposita flangia 4 fissata in modo amovibile in sommità al tubo 1. Come si vede dalla figura 1, tra il condotto 3 e la parete interna del tubo 1 si trova un'intercapedine 6 che è destinata ad ospitare il catalizzatore, caricato e rimosso attraverso la flangia smontabile 4.
Facendo ora riferimento alla fig.2, il tubo 1 è inserito fino all'altezza dei detti condotti 2 e 3 all'interno di un manicotto concentrico 7. Detto manicotto 7 è chiuso in alto mediante una parete superiore, mentre comunica con l'esterno inferiormente, attraverso un’uscita 11 per i gas combusti praticata nella sua parete di fondo. In prossimità della parte di chiusura superiore del manicotto 7, prendono inizio due condotti 9 per il passaggio dei gas combusti, i quali condotti si sviluppano simmetricamente rispetto al piano di simmetria verticale 14 identificato dall'asse del tubo 1 e dalla direzione ortogonale al piano di rappresentazione della figura. Come si vede dalla stessa fig.2, i condotti 9 escono radialmente dalla parte superiore del manicotto 7, proseguono parallelamente verso il basso e, infine, si sviluppano radialmente immettendosi nella parte inferiore di una camera radiante 8, posta esternamente ai manicotti 7. La camera 8, che in fig.2 è visibile secondo una sezione trasversale, è realizzata in forma di uno scatolato, simmetrico rispetto al piano 14 e attraversato dall'alto verso il basso da un numero opportuno di manicotti 7 del tipo descritto precedentemente, in modo tale da racchiuderne la parte mediana e lasciar sporgere la parte superiore dotata dei condotti 9 e, verso il basso, la parte inferiore provvista delle uscite 11.
Ancora dalla sezione trasversale rappresentata in figura 2, sono visibili due condotti 12 per l'immissione dei gas combusti nella camera 8, posti ai lati della camera stessa e confinanti con la sua parete superiore. I condotti 12, realizzati di pezzo con la camera 8, sono a sezione rettangolare e comunicano con la camera radiante 8 tramite una successione di ugelli 13 disposti in modo da distribuire uniformemente i gas combusti nel senso della lunghezza della camera 8, cioè ortogonalmente al piano della sezione in figura 2.
Facendo ora riferimento alla figura 3, è illustrato un bruciatore adiabatico 15 esterno alla camera 8, dotato lateralmente di un condotto di ingresso 16 del combustibile e di un condotto 17 dell'aria di combustione proveniente da una soffiante 18 e, superiormente, di un condotto verticale 21 per il trasferimento dei gas combusti verso i condotti 12 di immissione dei gas nella camera radiante 8.
Nello schema di figura, è anche indicata la posizione di una sezione convettiva 20, dove viene recuperato il calore dei gas combusti in arrivo da un condotto 23 connesso alle già descritte uscite 11, e dopo la quale i gas di combustione, così raffreddati, vengono trasferiti mediante un condotto 24 fino ad un estrattore 22. A valle dell'estrattore 22, i gas combusti freddi provenienti dall'estrattore vengono parzialmente riciclati nel bruciatore 15 passando attraverso un condotto 19, mentre i gas restanti vengono scaricati nell'atmosfera attraverso un condotto 25 ed un camino 26 posto in sommità dello stesso condotto.
Il funzionamento è il seguente: i reagenti, ad esempio vapori di etilbenzolo, entrano attraverso il condotto di ingresso 2, sono convogliati nell'intercapedine 6 ed attraversano il catalizzatore contenuto nel tubo 1. Il prodotto catalizzato, ad esempio stirolo, esce dal condotto superiore di uscita 3.
Con riferimento allo schema di fig.3, i gas combusti provenienti dal bruciatore 15 vengono convogliati attraverso il condotto 21 fino ai condotti di immissione 12 visibili in fig.2, dai quali vengono uniformemente distribuiti all'interno della camera radiante 8 mediante gli ugelli 13. All'interno della camera 8, i gas combusti vengono convogliati verso il basso, riempiono i condotti laterali 9 e filtrano dall'alto all'interno dei manicotti 7, scorrendo poi nuovamente verso il basso nello spazio anulare tra la parete interna dei manicotti 7 e quella esterna dei tubi 1, fino ad uscire attraverso i condotti di uscita 11, dai quali vengono infine convogliati, nel modo già descritto, verso la sezione convettiva 20.
Con la soluzione adottata secondo l'invenzione, i gas combusti che scorrono nello spazio anulare tra ogni manicotto 7 ed il rispettivo tubo catalitico 1, scambiano calore in equicorrente, attraverso la parte del tubo 1, con i reagenti contenuti nel tubo stesso e anche loro diretti dall'alto verso il basso. Contemporaneamente, gli stessi gas combusti che scorrono all'interno del manicotto 7 ricevono calore, ancora in equicorrente, con il flusso dei gas combusti presenti nella camera 8 e a contatto della parete esterna del manicotto 7.
Come potrà comprendere ogni tecnico del settore, grazie alla presenza di un bruciatore esterno e dei mezzi di ricircolo descritti, secondo la presente invenzione è possibile regolare lo scambio termico della reazione di catalisi, semplicemente variando la quantità di gas combusti riciclati al bruciatore adiabatico 15.
Al tempo stesso, il diametro dei condotti 9 viene fissato in modo da avere al loro interno una perdita di carico concentrata che assicuri una portata uniforme in tutti i manicotti 7 dei gas combusti provenienti dal bruciatore esterno 15. In aggiunta a questo, il riempimento uniforme dei manicotti viene garantito dal fatto che la combustione nel bruciatore adiabatico 15 è realizzata ad una pressione praticamente uguale a quella atmosferica, così da ottenere una pressione leggermente inferiore a quella atmosferica all'interno della camera radiante 8, mentre con l'estrattore dei gas combusti 22 viene generata una depressione all'interno dei manicotti 7.
In accordo a quanto descritto, si può anche rilevare come la funzione primaria affidata ai manicotti 7 è quella di incrementare la quantità di calore trasferita ai reagenti all'inizio della zona di reazione, realizzando un flusso di ' calore decrescente dall'alto verso il basso e perciò congruente con la richiesta di calore della reazione di catalisi.
Vantaggiosamente, con le caratteristiche ora descritte e in combinazione con una opportuna scelta del diametro dei manicotti 7, del rapporto tra la lunghezza della parte di manicotto immersa nella camera e la lunghezza totale del manicotto, è possibile trasferire ai reagenti, attraverso la parete dei tubi 1, un flusso di calore tale da rendere la temperatura del catalizzatore praticamente costante lungo tutto lo sviluppo della zona di reazione .
La presente invenzione è stata descritta con riferimento ad una forma preferita di realizzazione, ma si intende che modifiche equivalenti potranno essere apportate da ogni tecnico del ramo senza comunque uscire dall1ambito della tutela accordata alla presente privativa industriale.

Claims (14)

  1. RIVENDICAZIONI 1) Reattore catalitico endotermico comprendente uno o più tubi verticali (1) di catalisi contenenti ciascuno un letto di catalizzazione a sezione anulare con un'entrata superiore (2) del prodotto da trattare e un condotto cilindrico concentrico (3) di uscita dal basso verso l'alto del prodotto trattato, caratterizzato dal fatto che detti tubi (1) sono inseriti in altrettanti manicotti cilindrici (7) ad essi concentrici, disposti parzialmente all'interno di una camera radiante (8) in materiale refrattario, dove i gas di combustione provenienti dai condotti di uscita (12) di un bruciatore adiabatico esterno (15) lambiscono dall'alto verso il basso la parete esterna dei manicotti (7), per essere convogliati successivamente in condotti (9) esterni alla camera radiante e immessi, nuovamente dall'alto, all'interno dei manicotti (7) in modo tale da lambire la parete esterna dei tubi (1) scambiando calore in equicorrente sia con i prodotti di reazione nei tubi di catalisi (1) che con il flusso dei gas caldi nella camera radiante (8).
  2. 2) Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i gas di combustione vengono trasferiti dal bruciatore (15) alla camera (8) attraverso un condotto (21) di uscita dal bruciatore, al quale sono connessi i condotti (12) posti in alto lateralmente alla camera (8) e con questa comunicanti tramite una pluralità di ugelli (13) tale da distribuire uniformemente il gas all'interno della camera (8) stessa.
  3. 3) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere una pluralità di detti manicotti (7) e detti tubi (1), inseriti parallelamente all'interno della camera (8).
  4. 4) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ogni manicotto (7) prevede una coppia di detti condotti (9) di forma cilindrica, disposti simmetricamente rispetto al piano definito dagli assi dei manicotti stessi e realizzati di diametro tale da determinare una perdita di carico concentrata che assicuri una portata uniforme dei gas combusti all'interno di tutti i manicotti (7).
  5. 5) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la porzione terminale dei manicotti (7) è esterna alla camera radiante (8), al fine di limitare la quantità di calore ceduta ai reagenti nella corrispondente zona di reazione.
  6. 6) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i valori del diametro di detti manicotti (7), della lunghezza della parte di manicotto immersa nella camera (8) e della lunghezza totale dei manicotti (7) sono regolati in modo da trasferire ai reagenti attraverso le pareti dei tubi (1) un flusso di calore tale da rendere la temperatura del catalizzatore sostanzialmente costante lungo tutto lo sviluppo della zona di reazione.
  7. 7) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di prevedere un riciclo parziale dei gas di combustione, realizzato mediante condotti di riciclo (19) posti in uscita da un estrattore (22) collocato a valle dei manicotti (7) e a monte del bruciatore (15), capace di convogliare parte dei gas freddi dai manicotti (7) in detti condotti (19), creando al tempo stesso una leggera depressione nei manicotti (7) rispetto alla pressione di esercizio della camera (8), al fine di realizzare una distribuzione di gas uniforme nei vari manicotti (7).
  8. 8) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i gas combusti vengono riciclati dopo un raffreddamento effettuato in una sezione convettiva (20) posta a valle delle uscite (11) dei gas dai manicotti (7) e a monte dell'estrattore (22).
  9. 9) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la parte di gas combusti non riciclata viene convogliata dall'estrattore (22) verso un camino (26) per lo scarico in atmosfera.
  10. 10) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una soffiante (18) per l'immissione di aria nel bruciatore (15).
  11. 11) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la combustione nel bruciatore adiabatico (15) viene realizzata ad una pressione leggermente superiore a quella atmosferica, al fine di ottenere una pressione sostanzialmente atmosferica all1interno della camera (8).
  12. 12) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti condotti (12) sono realizzati di pezzo con le pareti della camera (8).
  13. 13) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i tubi (1) sono dotati di un fondello di chiusura inferiore (5) e di una flangia superiore amovibile (4) in prossimità della quale è previsto un ingresso (2) del prodotto da trattare, e lo sbocco del detto condotto (3) di forma tubolare concentrica.
  14. 14) Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che tra detto tubo {1) e detto condotto (3) è presente un’intercapedine (6) a sezione anulare destinata ad ospitare il catalizzatore, caricato e rimosso attraverso la flangia smontabile (4).
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