ITVR20070114A1 - CHEMICAL REACTOR STRUCTURE - Google Patents

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ITVR20070114A1
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chemical reactor
reactor structure
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reaction conduit
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Zoppo Antonio Del
Gabriele Malaspina
Stefano Petitti
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I C I Caldaie S P A
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Description

STRUTTURA DI REATTORE CHIMICO CHEMICAL REACTOR STRUCTURE

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Il presente trovato riguarda una struttura di reattore chimico. The present invention relates to a chemical reactor structure.

Come è noto, allo stato attuale la realizzazione di reattori chimici di piccole dimensioni, in particolare per la produzione di idrogeno, presenta alcuni inconvenienti legati principalmente alla loro costruzione pratica, alla loro affidabilità ed alla loro gestione. As is known, at present the construction of small-sized chemical reactors, in particular for the production of hydrogen, has some drawbacks mainly related to their practical construction, their reliability and their management.

Infatti, con i reattori attuali si riscontrano notevoli difficoltà nel trovare condizioni stabili di equilibrio chimico e termodinamico sia nei processi con reazioni fortemente endotermiche, come, ad esempio, la reazione di "steam reforming", sia nei processi con reazioni fortemente esotermiche, quali, ad esempio, le reazioni di "water gas shift", "prox" o "metanazione". In fact, with current reactors there are considerable difficulties in finding stable conditions of chemical and thermodynamic equilibrium both in processes with strongly endothermic reactions, such as, for example, the "steam reforming" reaction, and in processes with strongly exothermic reactions, such as, for example, the reactions of "water gas shift", "prox" or "methanation".

Inoltre, nel caso dì reazioni che avvengono ad alte temperature (900°C-1000°C), a queste problematiche si aggiungono le fortissime sollecitazioni termo-meccaniche che pregiudicano la durata, quindi la struttura del reattore e le prestazioni del catalizzatore. Furthermore, in the case of reactions that take place at high temperatures (900 ° C-1000 ° C), these problems are compounded by the very strong thermo-mechanical stresses which affect the duration, therefore the structure of the reactor and the performance of the catalyst.

Compito precipuo del presente trovato è quello di fornire una soluzione ai problemi sopra lamentati escogitando una struttura di reattore chimico che sia di dimensioni notevolmente ridotte e che consenta un preciso e facile controllo della temperatura di reazione. The aim of the present invention is to provide a solution to the above-mentioned problems by devising a chemical reactor structure which is considerably reduced in size and which allows precise and easy control of the reaction temperature.

All'interno dì questo compito un altro scopo del presente trovato è quello di realizzare una struttura di reattore chimico che sia in grado di garantire una distribuzione uniforme delle temperature all'interno del reattore . Within this aim, another object of the present invention is to provide a chemical reactor structure which is capable of ensuring a uniform distribution of the temperatures inside the reactor.

E' ancora uno scopo del presente trovato quello di mettere a punto una struttura di reattore chimico che, per le peculiari caratteristiche realizzative, sia in grado di offrire le più ampie garanzie di affidabilità e sicurezza nel funzionamento. Another object of the present invention is to provide a chemical reactor structure which, due to its particular constructive characteristics, is capable of offering the greatest guarantees of reliability and safety in operation.

Non ultimo scopo del presente trovato è quello di fornire una struttura di reattore chimico che sia ottenibile mediante elementi e materiali di comune reperibilità in commercio e che, inoltre, sia competitiva anche da un punto di vista puramente economico. Not least object of the present invention is to provide a chemical reactor structure which can be obtained by means of elements and materials commonly available on the market and which, moreover, is also competitive from a purely economic point of view.

Questo compito, nonché questi ed altri scopi ancora che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti da una struttura di reattore chimico, secondo il trovato, la quale comprende almeno un condotto di reazione presentante un imbocco per l'ingresso dei prodotti reagenti ed uno sbocco per lo scarico dei prodotti di reazione ed alloggiante, lungo almeno un tratto del proprio sviluppo longitudinale, un catalizzatore e si caratterizza per il fatto che all'interno di detto condotto di reazione sono disposti mezzi di scambio termico atti a scambiare calore con i prodotti reagenti nel loro passaggio attraverso detto condotto di reazione. This aim, as well as these and other objects which will become clearer hereinafter, are achieved by a chemical reactor structure, according to the invention, which comprises at least one reaction conduit having an inlet for the inlet of the reactant products and an outlet for the discharge of the reaction products and housing, along at least a portion of its longitudinal extension, a catalyst and is characterized by the fact that heat exchange means are arranged inside said reaction conduit to exchange heat with the reactant products in the their passage through said reaction conduit.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, della struttura di reattore chimico, secondo il trovato, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni in cui: Further characteristics and advantages of the invention will become clearer from the description of a preferred but not exclusive embodiment of the chemical reactor structure according to the invention, illustrated by way of non-limiting example, in the accompanying drawings in which:

la figura 1 illustra in vista prospettica e parzialmente in esploso la struttura di reattore chimico secondo il trovato: Figure 1 is a perspective and partially exploded view of the chemical reactor structure according to the invention:

la figura 2 è una vista prospettica della struttura di reattore chimico secondo il trovato; Figure 2 is a perspective view of the chemical reactor structure according to the invention;

la figura 3 illustra in vista prospettica e parzialmente in spaccato la struttura di reattore chimico secondo il trovato; Figure 3 is a partially cut-away perspective view of the chemical reactor structure according to the invention;

la figura 4 è una vista in sezione longitudinale della struttura di reattore chimico secondo il trovato. Figure 4 is a longitudinal sectional view of the chemical reactor structure according to the invention.

Con riferimento alle sopra citate figure, la struttura di reattore chimico, secondo il trovato, indicata globalmente con il numero di riferimento 1, comprende almeno un condotto di reazione 2 dotato, in generale, di un imbocco per l'ingresso dei prodotti reagenti e di uno sbocco per lo scarico dei prodotti di reazione. With reference to the aforementioned figures, the chemical reactor structure, according to the invention, generally indicated with the reference number 1, comprises at least one reaction duct 2 equipped, in general, with an inlet for the inlet of the reactant products and an outlet for the discharge of the reaction products.

Lungo almeno un tratto 2a del proprio sviluppo longitudinale, il condotto 2 alloggia un catalizzatore 3, che risulta permeabile al flusso dei prodotti reagenti che-scorrono all'interno del condotto di reazione 2 e che potrà variare in funzione del tipo di reazione che si desidera ottenere. Along at least a portion 2a of its longitudinal extension, the duct 2 houses a catalyst 3, which is permeable to the flow of the reactant products that flow inside the reaction duct 2 and which may vary according to the type of reaction that is desired. obtain.

A titolo esemplificativo, il catalizzatore 3 può essere realizzato, in modo noto di per sé, su diversi supporti, come ad esempio pellet, retine o altro, e con diversa composizione chimica a seconda del tipo di reazione. By way of example, the catalyst 3 can be realized, in a manner known per se, on different supports, such as for example pellets, nets or other, and with different chemical composition according to the type of reaction.

La peculiarità del trovato consiste nel fatto che all'interno del condotto di reazione 2 risultano posizionati mezzi di scambio termico, i quali sono atti a scambiare calore con i prodotti reagenti nel loro passaggio attraverso il condotto di reazione, in modo tale da garantire un perfetto controllo delle temperature di reazione. The peculiarity of the invention consists in the fact that heat exchange means are positioned inside the reaction conduit 2, which are able to exchange heat with the reactant products as they pass through the reaction conduit, in such a way as to ensure a perfect control of reaction temperatures.

Più in particolare, tali mezzi di scambio termico sono, vantaggiosamente, disposti in modo da interessare almeno una sezione di passaggio 2b del condotto di reazione 2, così da poter essere uniformemente investiti dal flusso dei prodotti reagenti, evitando così che all'interno del condotto di reazione 2 possano formarsi zone con temperature più basse o più alte rispetto a quelle ottimali per la reazione in svolgimento. More particularly, these heat exchange means are advantageously arranged so as to involve at least one passage section 2b of the reaction conduit 2, so as to be uniformly hit by the flow of the reactant products, thus avoiding that inside the conduit of reaction 2, zones with lower or higher temperatures than the optimal ones for the reaction in progress can be formed.

Opportunamente, nella forma di esecuzione illustrata, i mezzi di scambio termico vengono realizzati tramite uno o più tubi scambiatori 4 al cui interno scorre un fluido di termoregolazione, che potrà essere caldo o freddo, a seconda che la reazione sia rispettivamente endotermica o esotermica, e che potrà essere costituito da un qualsiasi fluido adatto, quale, ad esempio, acqua, glicole, gas dì combustione e così vìa. Conveniently, in the embodiment illustrated, the heat exchange means are made by means of one or more exchanger tubes 4 inside which a thermoregulation fluid flows, which can be hot or cold, depending on whether the reaction is respectively endothermic or exothermic, and which may consist of any suitable fluid, such as, for example, water, glycol, combustion gas and so on.

Come si può notare meglio in figura 2, ciascun tubo scambiatore 4 è provvisto di un proprio raccordo di mandata 4a e di un proprio raccordo di ritorno 4b, i quali fuoriescono dal condotto di reazione 2 per poter essere collegati ad un apposito dispositivo di circolazione del fluido di termoregolazione all'interno dei tubi scambiatori 4. As can be seen better in Figure 2, each exchanger pipe 4 is provided with its own delivery connection 4a and its own return connection 4b, which come out of the reaction duct 2 in order to be connected to a suitable circulation device for the thermoregulation fluid inside the heat exchanger tubes 4.

Vantaggiosamente, ciascun tubo scambiatore 4 si sviluppa a spirale circolare sostanzialmente concentricamente all'asse del condotto di reazione 2 e potrà essere realizzato in acciaio inox debolmente legato con una sezione di tipologia e dimensione variabile a seconda delle esigenze. Advantageously, each exchanger tube 4 develops in a circular spiral substantially concentric to the axis of the reaction duct 2 and can be made of low-alloy stainless steel with a section of variable type and size according to requirements.

Grazie alla loro particolare conformazione a spirale, i tubi scambiatori 4 consentono di realizzare un ottimale scambio termico con i prodotti reagenti mentre questi transitano attraverso il condotto di reazione 2 ed inoltre consentono di ottenere una distribuzione omogenea dei prodotti reagenti all'interno del condotto di reazione 2, così<’>da ottimizzare anche il processo di reazione. Thanks to their particular spiral conformation, the exchanger tubes 4 allow to achieve an optimal heat exchange with the reacting products while these pass through the reaction duct 2 and also allow to obtain a homogeneous distribution of the reacting products inside the reaction duct. 2, so as to optimize the reaction process as well.

E' da notare che i tubi scambiatori 4 potranno essere fissati al corpo del condotto di reazione 2 in modo stabile, ad esempio tramite saldatura, in particolar modo laddove le temperature di reazione raggiungono valori elevati, ad esempio superiori a 700°C, oppure in modo amovibile, mediante opportuni sistemi di tenuta, quali guarnizioni o similari, così da rendere agevoli le operazioni di manutenzione o sostituzione del catalizzatore 3. It should be noted that the exchanger tubes 4 can be fixed to the body of the reaction duct 2 in a stable manner, for example by welding, in particular where the reaction temperatures reach high values, for example higher than 700 ° C, or in removable way, by means of suitable sealing systems, such as gaskets or similar, so as to facilitate the maintenance or replacement of the catalyst 3.

Preferibilmente, all'interno di detto condotto di reazione, sono inoltre posizionati mezzi per uniformare il flusso dei prodotti reagenti, i quali hanno la funzione di rendere maggiormente omogenea la distribuzione dei prodotti reagenti all'interno del condotto di reazione 2. Preferably, inside said reaction duct, there are also positioned means for uniforming the flow of the reactant products, which have the function of making the distribution of the reacting products more homogeneous inside the reaction duct 2.

Nella soluzione presentata nelle figure, tali mezzi sono costituiti da uno o più setti diffusori 5 che vengono interposti lungo il condotto di reazione 2 e che risultano, vantaggiosamente, costituiti da una rispettiva piastra microforata 6 disposta trasversalmente al condotto di reazione 2. In the solution presented in the figures, these means consist of one or more diffuser septa 5 which are interposed along the reaction conduit 2 and which are advantageously constituted by a respective micro-perforated plate 6 arranged transversely to the reaction conduit 2.

Al fine di controllare meglio il flusso dei prodotti reagenti che attraversa i tubi scambiatori 4, i setti diffusori 5 sono, opportunamente, posizionati a monte e/o a valle di ciascun tubo scambiatore 4, secondo il senso di scorrimento dei prodotti reagenti lungo il condotto di reazione 2. In order to better control the flow of the reacting products that passes through the exchanger tubes 4, the diffuser baffles 5 are suitably positioned upstream and / or downstream of each exchanger tube 4, according to the direction of flow of the reacting products along the reaction 2.

Vantaggiosamente, il condotto di reazione 2 potrà essere accoppiato con un altro condotto di reazione dello stesso tipo ad esso affiancato. Advantageously, the reaction conduit 2 can be coupled with another reaction conduit of the same type adjacent to it.

Più in particolare si può prevedere di collegare tra loro più condotti di reazione 2 secondo una disposizione in serie, in modo da consentire al flusso dei prodotti reagenti di attraversare in successione, uno dopo l'altro, i condotti di reazione 2 ed i relativi mezzi di scambio termico, oppure secondo una disposizione in parallelo, così che ciascun condotto dì reazione 2 possa essere attraversato da flussi indipendenti. More specifically, it is possible to connect several reaction conduits 2 to each other according to a series arrangement, so as to allow the flow of the reactant products to pass through the reaction conduits 2 and the relative means in succession, one after the other. of heat exchange, or according to a parallel arrangement, so that each reaction conduit 2 can be crossed by independent flows.

Da quanto sopra esposto si vede come il trovato sia in grado di assolvere al corapito ad esso preposto, in quanto la presenza di mezzi di scambio termico integrati all'interno del condotto di reazione consente di ridurre notevolmente le dimensioni del reattore rispetto alla tecnica nota e di garantire, al contempo, una omogenea distribuzione della temperatura all'interno del condotto di reazione. From the foregoing it can be seen that the invention is capable of fulfilling its intended purpose, since the presence of heat exchange means integrated inside the reaction conduit allows to considerably reduce the dimensions of the reactor with respect to the known art and at the same time ensuring a homogeneous distribution of the temperature inside the reaction conduit.

Inoltre, la possibilità di variare il numero dei tubi scambiatori nonché la possibilità di assemblare più condotti di reazione in serie o in parallelo, a seconda del tipo di reazione che si vuole ottenere, permette di mantenere un facile controllo sulle potenze termiche scambiate e di effettuare, di conseguenza, una precisa regolazione della reazione. Furthermore, the possibility of varying the number of exchanger tubes as well as the possibility of assembling several reaction pipes in series or in parallel, depending on the type of reaction to be obtained, allows to maintain an easy control on the exchanged thermal powers and to carry out , consequently, a precise regulation of the reaction.

Tutte le caratteristiche del trovato, su indicate come vantaggiose, opportune o simili, possono anche mancare o essere sostituite da equivalenti . All the characteristics of the invention, indicated above as advantageous, convenient or the like, can also be missing or be replaced by equivalents.

Le singole caratteristiche esposte in riferimento ad insegnamenti generali o a forme di realizzazione particolari, possono essere tutte presenti in altre forme di realizzazione o sostituire caratteristiche in queste forme di realizzazione. The individual characteristics set forth with reference to general teachings or particular embodiments can all be present in other embodiments or substitute features in these embodiments.

Il trovato così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. The invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept.

In pratica ì materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze. In practice, the materials used, so long as they are compatible with the specific use, as well as the dimensions and shapes, may be any according to requirements.

Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. Furthermore, all the details can be replaced by other technically equivalent elements.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI 1. Struttura di reattore chimico comprendente almeno un condotto di reazione presentante un imbocco per l'ingresso dei prodotti reagenti ed uno sbocco per lo scarico dei prodotti di reazione ed alloggiente, lungo almeno un tratto del proprio sviluppo longitudinale, un catalizzatore caratterizzata dal fatto che all'interno dì detto condotto di reazione sono disposti mezzi di scambio termico atti a scambiare calore con i prodotti reagenti nel loro passaggio attraverso detto condotto di reazione. CLAIMS 1. Chemical reactor structure comprising at least one reaction conduit having an inlet for the inlet of the reactant products and an outlet for the discharge of the reaction products and housing, along at least a portion of its longitudinal development, a catalyst characterized in that inside said reaction conduit there are heat exchange means suitable for exchanging heat with the reactant products as they pass through said reaction conduit. 2. Struttura di reattore chimico secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detti mezzi di scambio termico sono disposti in modo da interessare almeno una sezione di passaggio di detto condotto di reazione. 2. Chemical reactor structure according to claim 1, characterized in that said heat exchange means are arranged so as to involve at least one passage section of said reaction conduit. 3. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi dì scambio termico comprendono almeno un tubo scambiatore al cui interno scorre un fluido di termoregolazione . 3. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said heat exchange means comprise at least one exchanger tube inside which a thermoregulation fluid flows. 4. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto almeno un tubo scambiatore si sviluppa a spirale circolare sostanzialmente concentricamente all'asse di detto condotto di reazione. 4. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said at least one exchanger tube develops in a circular spiral substantially concentric to the axis of said reaction conduit. 5. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere, all'interno di detto condotto di reazione, mezzi per uniformare il flusso dei prodotti reagenti transitanti lungo detto condotto di reazione. 5. Structure of a chemical reactor according to one or more of the preceding claims, characterized in that it comprises, inside said reaction conduit, means for standardizing the flow of the reactant products passing along said reaction conduit. 6. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti mezzi per uniformare il flusso dei prodotti reagenti comprendono almeno un setto diffusore interposto lungo detto condotto di reazione. 6. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said means for standardizing the flow of the reactant products comprise at least one diffuser septum interposed along said reaction conduit. 7. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto almeno un setto diffusore è posizionato a monte di detto almeno un tubo scambiatore secondo il senso di scorrimento dei prodotti reagenti in detto condotto di reazione. 7. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said at least one diffuser partition is positioned upstream of said at least one exchanger tube according to the direction of flow of the reactant products in said reaction conduit. 8. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto almeno un setto diffusore è posizionato a valle dì detto almeno un tubo scambiatore secondo il senso di scorrimento dei prodotti reagenti in detto condotto dì reazione. 8. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said at least one diffuser septum is positioned downstream of said at least one exchanger tube according to the flow direction of the reactant products in said reaction conduit. 9. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto almeno un setto diffusore è costituito da una piastra microforata disposta trasversalmente a detto condotto di reazione. 9. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said at least one diffuser septum is constituted by a micro-perforated plate arranged transversely to said reaction conduit. 10. Struttura di reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto condotto di reazione è accoppiabile con un altro condotto di reazione dello stesso tipo ad esso affiancato.10. Chemical reactor structure according to one or more of the preceding claims, characterized in that said reaction duct can be coupled with another reaction duct of the same type adjacent to it.
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