MX2007001173A - Reactor catalitico de lecho fijo. - Google Patents

Abstract

Se describe un reactor quimico radial (10, 110, 210, 310) para reacciones cataliticas que comprende: (a) una coraza (12) substancialmente cilindrica; (b) un primer lecho catalitico (18) con una seccion transversal substancialmente en forma de anillo, soportado de manera coaxial en dicha coraza (12) y teniendo un lado de entrada (20) de gases reactivos y un lado de salida (21) de mezcla de reaccion; (c) una pluralidad de intercambiadores de calor (22) soportados y distribuidos en una respectiva porcion substancialmente en forma de anillo, de dicho primer lecho catalitico (18); (d) al menos un segundo lecho catalitico (28) con una seccion transversal substancialmente en forma de anillo, soportado en dicha coraza (12) de manera coaxial respecto de dicho primer lecho (18) y a una distancia predeterminada de dicho primer lecho (18), dicho segundo lecho catalitico (28) teniendo un lado de entrada (30) de mezcla de reaccion y un lado de salida (31) de productos gaseosos de reaccion; y (e) una pluralidad de intercambiadores de calor (32) soportados y distribuidos en una porcion respectiva substancialmente en forma de anillo de dicho segundo lecho catalitico (28).

Description

REACTOR CATALÍTICO DE LECHO FIJO DESCRIPCIÓN Campo de aplicación En su aspecto más general, la presente invención se refiere a un reactor químico radial para reacciones catalíticas heterogéneas del tipo que comprenden una coraza substancialmente cilindrica, con un eje vertical, cerrado en sus extremos opuestos por cubiertas respectivas, un lecho catalítico, soportado en dicha coraza, y una pluralidad de intercambiadores de calor dispuestos en dicho lecho catalítico. Más en particular, esta invención se refiere a un reactor del tipo antes mencionado estructurado para permitir que los reactivos gaseosos y los productos de reacción fluyan a través del lecho catalítico principalmente en una dirección radial, en relación al eje de la coraza de dicho reactor. Por esta razón, en la siguiente descripción y reivindicaciones, este reactor estará referido como un reactor radial, este término incluye tanto los reactores puramente radiales así como los llamados reactores axiales-radiales.

Técnica anterior Como es bien sabido, en el campo de las reacciones catalíticas heterogéneas para la síntesis industrial de productos químicos tales como por ejemplo amoniaco, metanol, formaldehído o estireno, cada vez se hace más y más palpable el requerimiento de incrementar la capacidad de producción y rendimiento de conversión, y al mismo tiempo el requerimiento de reducir consumo de energía así como los costos de instalación, control y mantenimiento. Con este fin, se han propuesto reactores químicos llamados pseudo-isotérmicos, en donde la temperatura de reacción se controla dentro de un rango limitado de valores alrededor de un valor óptimo predeterminado.

Aunque estos son ventajosos en varios aspectos, ninguno de los reactores del arte previo es capaz de satisfacer simultáneamente los requerimientos antes mencionados. De hecho, mientras por una parte, es esencial que los reactivos y productos permanezcan dentro del reactor, o mejor aún en la zona de reacción, (lecho catalítico) del mismo, por un periodo suficiente para permitir que los reactivos reaccionen así como para permitir que la mezcla de reactivos y productos realicen intercambio de calor con fluido de intercambio de calor operativo, por otra parte, el flujo en fase gaseosa que atraviesa dicha zona de reacción (lecho catalítico), no debe estar sujeto a una caída de presión excesiva, tampoco debe requerir alto consumo de energía y/o estructuras complejas y caras para su implementación. Entonces el resultado es que cuando se requieren alta capacidad de producción y rendimiento de conversión, en los reactores pseudo-isotérmicos del arte previo, y en particular aquellos en los cuales la zona de reacción está definida dentro de un lecho catalítico cruzado radialmente, el desarrollo de cabezal (altura) se incrementa considerablemente, con una relación entre altura de la coraza y diámetro igual a diez o mayor, como ocurre por ejemplo, en la síntesis de amoniaco. Es precisamente debido a la altura considerable del lecho catalítico que ocurre que los reactivos gaseosos, una vez que ellos están distribuidos a lo largo de la pared de entrada de dicho lecho no poseen suficiente velocidad para fluir a través de dicho lecho catalítico. Dicha velocidad de cruzamiento reducida tiene una influencia negativa en el coeficiente de intercambio de calor entre los reactivos y los intercambiadores de calor. Por estas razones, en estos reactores esta probado que es imposible obtener un control óptimo del control del nivel pseudo-isotérmico de la reacción. La patente EP-A-0 314 550 describe un reactor químico radial con dos lechos catalíticos.

Sumario de la reacción El problema técnico subyacente de la presente invención es el de proporcionar un reactor químico del tipo antes mencionado que tiene características estructurales y funcionales tales que permiten una alta capacidad de producción y rendimiento de conversión y, al mismo tiempo, es simple de realizar, permitiendo un consumo de energía bajo y requiriendo bajos costos de instalación, operación y mantenimiento con objeto de superar los inconvenientes del arte previo antes descritos. El problema técnico antes mencionado se resuelve por medio de un reactor químico radial para reacciones catalíticas que comprende: una coraza substancialmente cilindrica cerrada en los extremos opuestos por cubiertas respectivas; un primer lecho catalítico con una sección transversal substancialmente con forma de anillo, soportada de manera coaxial en dicha coraza y teniendo un lado de entrada de gases reactivos y un lado de salida de mezcla de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor, soportados y distribuidos en una porción respectiva que tiene substancialmente una forma de anillo de dicho primer lecho catalítico; al menos un segundo lecho catalítico con una sección transversal substancialmente con forma de anillo, soportado en dicha coraza de manera coaxial respecto de dicho primer lecho catalítico y a una distancia predeterminada de dicho primer lecho, dicho segundo lecho catalítico teniendo un lado de entrada de la mezcla de reacción y un lado de salida de productos gaseosos de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor soportados y distribuidos en una respectiva porción substancialmente con forma de anillo de dicho segundo lecho catalítico; medios para distribuir los gases reactivos sobre todos los mencionados lados de entrada de dicho primer lecho catalítico; medios para poner en comunicación fluida el lado de salida de dicho primer lecho catalítico con el lado de entrada de dicho segundo lecho catalítico; y medios para distribuir la mezcla de reacción sobre todos los mencionados lados de entrada de dicho segundo lecho catalítico. Otras características y ventajas de la invención llegarán a ser más claras a partir de la descripción detallada de una personificación o modalidad de un reactor químico de conformidad con la invención, dada en lo sucesivo con referencia a los dibujos anexos, para propósitos indicativos pero no limitativos.

Breve descripción de las figuras La FIG. 1 muestra una vista esquemática de un corte longitudinal de un reactor químico de conformidad con la invención. La FIG. 1a muestra una vista esquemática de un corte transversal del reactor químico de la FIG. 1 , tomado de acuerdo con el plano trazado a lo largo de la línea B-B en la FIG. 1. La FIG. 1 b muestra una vista esquemática de un corte transversal del reactor químico de la FIG. 1 , tomado de acuerdo con el plano trazado a lo largo de la línea C-C en la FIG. 1. La FIG. 2 muestra una vista esquemática de un corte longitudinal de una primera variante de la invención. La FIG. 3 muestra una vista esquemática de un corte longitudinal de una segunda variante de la invención. La FIG. 3a muestra una vista esquemática de un corte transversal del reactor químico de la FIG. 3, tomado de acuerdo con el plano trazado a lo largo de la línea D-D en la FIG. 3. La FIG. 3b muestra una vista esquemática de un corte transversal del reactor químico de la FIG. 3, tomado de acuerdo con el plano trazado a lo largo de la línea E-E en la FIG. 3. La FIG. 4 muestra una vista esquemática de un corte longitudinal de una tercera variante de la invención.

Descripción detallada de la personificación preferida Las FIGS. 1 , 1a, y 1 b muestran un reactor químico para reacciones catalíticas de conformidad con la presente invención y está indicado de manera global con el numeral 10. El reactor químico 10 es de tipo radial y de manera más precisa del llamado tipo axial-radial, y comprende una coraza substancialmente cilindrica 12, que tiene un eje vertical A-A y estando cerrada en los extremos opuestos por cubiertas respectivas, la cubierta inferior 14 y la cubierta superior 16, y un primer lecho catalítico 18 teniendo una sección transversal substancialmente con forma de anillo. El primer lecho catalítico 18 está soportado de manera coaxial, de una manera conocida per se, en dicha coraza 12 y tiene un lado de entrada 20 de los gases reactivos y un lado de salida 21 de la mezcla de reacción, dichos lados siendo substancialmente coaxiales y concéntricos. El lecho 18 está destinado a ser atravesado por los gases reactivos y por los productos de reacción en un movimiento substancialmente radial y de manera más precisa, con un movimiento axial-radial. En particular, el primer lecho catalítico 18 esta definido a lo largo de la dirección paralela al eje A-A por paredes 19a y 19b, respectivamente paredes externa e interna, de una canasta 19 que tiene una configuración cilindrica substancialmente con forma de anillo; dichas paredes 19a y 19b están perforadas, o en todo caso, son permeables a los gases, con objeto de permitir el flujo radial de los reactivos a través del lecho catalítico 18. Dicha canasta 19 también está cerrada en su lado inferior por medio de un fondo 19c. En el lecho catalítico 18 está colocada una pluralidad de intercambiadores de calor 22. De manera más precisa, los intercambiadores de calor 22 están soportados y distribuidos en una respectiva porción substancialmente en forma de anillo de dicho primer lecho catalítico 18. Dichos intercambiadores de calor 22 tienen forma de placas, son rectangulares, semejantes a cajas, preferentemente colocados en un arreglo radial con lados largos 24 paralelos al eje A-A de la coraza 12. Dichos intercambiadores de calor 22 comprenden una conexión de entrada 26 y una conexión de salida 27 para un fluido operativo de intercambio de calor. Ventajosamente, de conformidad con un aspecto de la presente invención, en el ejemplo mostrado en la FIG. 1 el reactor químico 10 comprende un segundo lecho catalítico 28, que tiene una sección transversal substancialmente en forma de anillo. Alternativamente, pueden ser provistos lechos catalíticos adicionales, no ilustrados en las figuras. El segundo lecho catalítico 28, está soportado, de una manera conocida per se, en dicha coraza 12, posicionado de una manera coaxial respecto del primer lecho catalítico 18 y a una distancia predeterminada de dicho lecho 18. El segundo lecho catalítico 28 tiene un lado de entrada 30 de la mezcla de reacción y un lado de salida 31 de productos gaseosos, dichos lados siendo substancialmente coaxiales y concéntricos. El lecho 28 está destinado a ser atravesado por los gases reactivos y por los productos de reacción en un movimiento substancialmente radial y de manera más precisa, con un movimiento axial-radial. El segundo lecho catalítico 28 está definido a lo largo de la dirección paralela al eje A-A por paredes 29a y 29b, respectivamente paredes externa e interna, de una canasta 29 que tiene una configuración cilindrica substancialmente con forma de anillo; dichas paredes 29a y 29b están perforadas, o en todo caso, son permeables a los gases, con objeto de permitir el flujo radial de los reactivos a través del lecho catalítico 28. Dicha canasta 29 también está cerrada en su lado inferior por medio de un fondo 29c. En el lecho catalítico 28 está colocada una pluralidad de intercambiadores de calor 32. De manera más precisa, los intercambiadores de calor 32 están soportados y distribuidos en una respectiva porción substancialmente en forma de anillo de dicho segundo lecho catalítico 28.

También dichos intercambiadores de calor 32 tienen forma de placas, son rectangulares, semejantes a cajas, y están preferentemente colocados en un arreglo radial con lados largos 34 paralelos al eje A-A de la coraza 12. De manera no restrictiva, dichos intercambiadores de calor 32 pueden ser acomodados en más de una hilera, concéntrica y coaxial respecto de dicha coraza 12, dicha configuración no se ilustra en las figuras. Dichos intercambiadores de calor 32 comprenden una conexión de entrada 36 y una conexión de salida 37 para un fluido operativo de intercambio de calor. Al menos una de dicha pluralidad de intercambiadores de calor 22, 32 de dichos lechos catalíticos 18 y 28 está en comunicación fluida con el exterior; en este caso particular, esto se aprecia en los intercambiadores de calor 22. De conformidad con una característica de la presente invención, dicha pluralidad de intercambiadores de calor 22 y 32 se extiende en el primer y segundo lechos catalíticos 18 y 28 respectivamente, por solamente una porción de los lecho s para definir, dentro de dichos espacio de reacción, una zona pseudo-isotérmica y una zona adiabática. Preferentemente, los intercambiadores de calor 22 y 32 se extienden, de manera longitudinal, por casi la altura total de los respectivos lechos catalíticos 18 y 28, y, de manera radial, por una porción que oscila ventajosamente entre 55% y 95% del ancho, es decir, el espesor de los respectivos lechos catalíticos 18 y 28. Preferentemente, en el primer lecho catalítico 18 esta porción oscila ventajosamente entre 65% y 80% del espesor, mientras que en el segundo lecho catalítico 28 esta porción oscila ventajosamente entre 60% y 75% del espesor. De manera más precisa, dicha pluralidad de intercambiadores de calor 22 se extiende en una porción del primer lecho catalítico 18 desde el lado de salida 21 del lecho catalítico 18 mismo.

Por otra parte, dicha pluralidad de ¡ntercambiadores de calor 32 se extiende en una porción del segundo lecho catalítico 28 desde el lado de entrada 30 del lecho catalítico 28 mismo. En el ejemplo mostrado en la FIG. 1 , la pluralidad de intercambiadores de calor 22 y 32 están ambos colocados en la proximidad de la coraza 12. Estos también están provistos de: medios 62 para distribuir los gases reactivos completamente en dicho lado de entrada 20 de dicho primer lecho catalítico 18; medios 64 para poner en comunicación fluida el lado de la salida 21 de dicho primer lecho catalítico 18 con el lado de entrada 30 de dicho segundo lecho catalítico 28, y medios 66 para distribuir la mezcla de reacción completamente en dicho lado de entrada 30 de dicho segundo lecho catalítico 28. Deberá notarse que en el ejemplo mostrado en la FIG. 1 , la coraza 12 comprende un cartucho 40, que es cilindrico y coaxial respecto de la misma coraza 12, y en el cuál están contenidos el primer 18 y segundo 28 lechos catalíticos. Entre el cartucho 40 y la coraza 12 se define un interespacio 41. Además, en el ejemplo de la FIG. 1 , siempre el reactor 10 tiene una porción superior 42 configurada en forma de cuello de botella; de manera más precisa, la cubierta superior 16 tiene un diámetro que es substancialmente más pequeño que el diámetro de la coraza 12, y está conectado a dicha porción superior 42, substancialmente cilindrica. Un intercambiador de calor de haz de tubos se provee en dicha porción superior 42. Aguas arriba, del primer lecho catalítico 18, está provisto una cámara colectora 52 para los gases reactivos. También está provista aguas abajo del segundo lecho catalítico 28, una cámara colectora 54 para los productos gaseosos de reacción, internamente en relación con la pared interna 29b de la canasta 29. También está provisto un ducto conector 56 entre dicha cámara colectora 54 y el intercambiador de calor de haz de tubos 44 en la porción superior 42. Un ducto en forma de anillo 62a está definida entre la pared interna 19b de dicha canasta 19b y dicho ducto 56. Entre dicho cartucho 40 y la pared externa 19a de dicha canasta 19 se define un interespacio 64a en forma de anillo. Entre dicho cartucho 40 y la pared externa 29a de dicha canasta 29, también se define un interespacio 64b en forma de anillo. Los medios 62 para la distribución de gases reactivos completamente en dicho lado de entrada 20 de dicho primer lecho catalítico 18 comprenden la pared externa 19a y/o la pared interna 19b de la canasta 19. Dichas paredes 19a y 19b tienen perforaciones distribuidas de una manera adecuada para permitir una distribución substancialmente uniforme de los gases reactivos. Los medios 64 para poner en comunicación fluida el lado de salida 21 de dicho primer lecho catalítico 18 con el lado de entrada 30 de dicho segundo lecho catalítico 28 comprenden el interespacio 64a y 64b, y una cámara colectora 64c intermedia para la mezcla de gases de reacción provista entre dichos primer y segundo lechos catalíticos. Los medios 66 para distribuir la mezcla de reacción completamente en dicho lado de entrada 30 de dicho segundo lecho catalítico 28 comprenden la pared externa 29a y/o la pared interna 29b de la canasta 29. Dichas paredes 29a y 29b tienen perforaciones distribuidas de una manera adecuada para permitir una distribución substancialmente uniforme de la mezcla de reacción. La cubierta inferior 14 está equipada con una apertura 15 para la introducción de los gases reactivos , mientras que la cubierta superior 16, y de manera más precisa la porción superior 42, está equipada con una apertura 17 para la descarga de productos de reacción. Además, en un extremo superior de la coraza 12, antes de la porción superior 42 del reactor 10, estos están provistos con una apertura 46 para la introducción de gases reactivos frescos aguas abajo del primer lecho catalítico 18, una abertura 48 para el suministro de un fluido de intercambio de calor operativo al primer lecho catalítico 18, y una apertura 50 para el suministro de un fluido de intercambio de calor operativo aguas arriba del segundo lecho catalítico 28. La operación del reactor 10 de la invención es la siguiente: El suministro de gases reactivos ingresa al reactor 10 por la abertura 15 de la cubierta inferior 14 y fluye hacia arriba en el interespacio 41 presente entre la coraza 12 y el cartucho 40, hasta que alcanza el intercambiador de calor de haz de tubos 44. El intercambiador de calor de haz de tubos 44 precalienta el suministro de gases reactivos. En la salida del intercambiador de calor de haz de tubos 44, el suministro de gases reactivos se mezcla, en la cámara colectora 52 de los gases reactivos aguas arriba del primer lecho catalítico 18, con un flujo de gases reactivos adicional, proveniente de la conexión de salida 37 de los intercambiadores de calor 32 del segundo lecho catalítico 28. De manera más precisa, dicho flujo de gases reactivos adicional se suministra al reactor 10 a través de la abertura 48, pasa por los intercambiadores de calor de tipo de placas 22 y 32, como fluido de intercambio de calor operativo (como será descrito en más detalle más adelante), y es suministrado a la cámara colectora 52 en donde se mezcla con el flujo de gases reactivos, que ha sido pre-calentado apropiadamente, proveniente del intercambiado de calor de haz de tubos 44. La temperatura de esta mezcla de gases reactivos, que ingresa al primer lecho catalítico 18, se controla otra vez por medio de un flujo alterno (by-pass) de gases reactivos frescos, suministrado en la cámara colectora 52 a través de la abertura 46. La mezcla de gases reactivos obtenida en la cámara colectora 53 es distribuida totalmente en el lado de entrada 20 del primer lecho catalítico 18, lo atraviesa radialmente y sale por el lado de salida 21. Como se muestra en la FIG. 1a, la distribución adecuada de los intercambiadores de calor 22 provee, para la definición de dos zonas en forma de anillo, concéntricas y coaxiales en el primer lecho catalítico 18, de: una primera zona adiabática 18a, libre de cualquier intercambiador de calor y por lo tanto sin eliminación de calor de reacción, y una segunda zona pseudo-isotérmica 18b, en donde se extienden intercambiadores de calor 22 y por lo tanto se retira calor por medio del fluido de intercambio de calor operativo que fluye en los intercambiadores 22. esta disposición permite que los gases reactivos que cruzan el lecho catalítico 18 alcanzar y mantener una temperatura que corresponde a la temperatura de reacción al máximo nivel de conversión y entonces permite operar con altos rendimientos de conversión de reactivos. Después que los gases reactivos y los productos de reacción abandonan el primer lecho 18, ellos entran al segundo lecho 28 en la forma de una mezcla de reacción con un flujo dirigido hacia el interior del reactor 10. Como se muestra en la FIG. 1 b, el segundo lecho catalítico 28 también se divide en dos zonas, una primer zona pseudo-isotérmica 28b en la cuál están extendidos los intercambiadores de calor 32, y una segunda zona adiabática 28a.

Después de que los gases obtenidos dejan el segundo lecho 28, son colectados en la cámara colectora 54 de los productos gaseosos de reacción, cruzan el ducto de colección 56 entre la cámara colectora 54 y el intercambiador de calor de haz de tubos 44, en donde, como se ha descrito arriba, el suministro de gases reactivos es precalentado, y salen del reactor 10 por la abertura 17. Como se describió antes, una porción de los gases reactivos es suministrada en los intercambiadores de calor 22 y 32 como fluido de intercambio de calor operativo. En particular, dicho fluido de intercambio de calor operativo ingresa a las placas del intercambiador de calor 22 del primer lecho catalítico 18 a través de las abertura 26. El flujo de fluido operativo en las placas de intercambio de calor 22 se realiza hacia el exterior del reactor, y entonces, está en la misma dirección (co-corriente) con los gases reactivos que fluyen en el lecho catalítico 18. Ventajosamente, dicho flujo co-corriente evita una excesiva eliminación de calor del lecho catalítico que resulte en la reducción de la eficiencia del lecho. El fluido operativo sale por la conexión 27 y se alimenta a la conexión 36 de las placas del segundo lecho catalítico 28 a través de un ducto 36a. La temperatura de este fluido operativo de enfriamiento se controla gracias al suministro de fluido de intercambio de calor operativo fresco al ducto 36a proveniente de la abertura 50. El flujo de fluido operativo en las placas del intercambiador de calor 32 se realiza hacia el exterior del reactor, y entonces fluye en contracorriente con respecto al flujo de gases reactivos que fluyen en el lecho catalítico 28. Ventajosamente, dado que en el segundo lecho catalítico 28 este fluido operativo que fluye por las placas ya ha sido parcialmente pre-calentado, el flujo en contracorriente hace más fácil una eliminación de calor adicional sin peligro de sub enfriar el segundo lecho catalítico 28. El fluido operativo sale por la conexión 37 y se suministra, por un ducto 37a, a la cámara colectora 52aguas arriba del primer lecho catalítico 18 como se describió previamente. La FIG. 2 muestra una variante de un reactor químico de conformidad con la invención, indicado de manera global con el numeral 110 siendo similar estructuralmente al reactor 10. En dicha FIG. 2, el reactor 110 los componentes similares a aquellos del reactor 10 tienen los mismos números de referencia y con objeto de evitar repeticiones innecesarias, no se describen. Podrá apreciarse que, a diferencia del reactor 10, no está provista la apertura 48 para suministrar gases reactivos directamente a las placas como fluido de intercambio de calor. La operación del reactor 110 de conformidad con la invención es la siguiente.

El suministro de los gases reactivos ingresa al reactor 110 por la abertura 15 de la cubierta inferior 14 y fluye hacia arriba en el interespacio 41 presente entre la coraza 12 y el cartucho 40. El intercambiador de calor de haz de tubos 44 precalienta el suministro de gases reactivos. En la salida de los intercambiadores de calor de haz de tubos 44, el suministro de gases reactivos es enviado a través de un ducto 58 a la conexión 26 de las placas del intercambiador de calor 22 primer lecho catalítico 18, como fluido de intercambio de calor operativo. El flujo de fluido operativo en las placas es dirigido hacia el exterior del reactor y entonces co-corriente con los gases reactivos en el lecho catalítico 18 la temperatura de este fluido de operación de enfriamiento se controla gracias al suministro del fluido operativo al ducto 36a a través de la apertura 50. El fluido operativo sale de la conexión 27 y entra a la conexión 36 de las placas del segundo lecho catalítico 28. El flujo de fluido operativo en las placas es dirigido hacia el interior del reactor, y entonces en contracorriente con los gases reactivos en el lecho catalítico 28. Después deja las placas a través de la conexión 37, el fluido operativo se regresa a la cámara colectora 52, aguas arriba del primer lecho catalítico 18, y desde ahí pasa por los lechos catalíticos 18 y 28 como gas reactivo, de una manera similar a la descrita para el reactor 10. Las FIGS.3, 3a y 3b muestran una segunda variante de un reactor químico de conformidad con la invención, de manera global indicado con el numeral 210. En estas figuras, los componentes del reactor 210 que son similares a aquellos del reactor 10 tienen los mismos números de referencia y con objeto de evitar repeticiones innecesarias, no se describen. Como en el reactor 10, está provista una pluralidad de intercambiadores de calor 22 y 32, que se extienden en los respectivos espacios de reacción de dichos primer 18 y segundo 28 lechos catalíticos por una porción de los lechos mismos.

En este caso, dicha pluralidad de intercambiadores de calor 22 se extiende en una porción del primer lecho catalítico 18 desde el lado de salida 21 del lecho catalítico 18 mismo. Dicha pluralidad de intercambiadores de calor 32 se extiende en una porción del segundo lecho catalítico 28 desde el lado de entrada 30 del lecho catalítico 28 mismo. En el ejemplo mostrado en la FIG. 3, la pluralidad de intercambiadores de calor 22 se extiende en una porción del lecho catalítico 18 que está colocado en la proximidad de la coraza 12, mientras la pluralidad de intercambiadores de calor 32 se extiende en una porción del lecho catalítico 28 que se coloca en la proximidad del eje A-A de la coraza 12. Como se muestra en la FIG. 3a el primer lecho catalítico 18 está dividido en dos zonas, una primera zona adiabática 18a y una segunda zona pseudo-isotérmica 18b, en donde se extienden los intercambiadores 22. Como se muestra en la FIG. 3b el segundo lecho catalítico 28 también está dividido en dos zonas, una primera zona pseudo-isotérmica 28b en donde se extienden los intercambiadores 22, y una segunda zona adiabática 28a. La operación del reactor 210 de conformidad con la invención, es idéntica a la operación del reactor 10 mostrado en la FIG. 1 con una sola excepción, en que, después de dejar el primer lecho catalítico18, los gases reactivos entran al segundo lecho 28con un flujo dirigido hacia el exterior del reactor 210; después de dejar el segundo lecho catalítico 28, los productos de reacción obtenidos son colectados en un interespacio colector 60, que está en comunicación fluida por medio del ducto de conexión 56. La FIG. 4 muestra una tercera variante de un reactor químico de conformidad con la invención, de manera global indicado con el numeral 310 y similarmente estructural al reactor 210 de la FIG. 3. En dicha FIG. 4, los componentes del reactor 310 que son similares a aquellos del reactor 210 tienen los mismos números de referencia y con objeto de evitar repeticiones innecesarias, no se describen.

Como se puede apreciar, a diferencia del reactor 210, no se provee una apertura 48 para suministrar gases reactivos directamente a las placas. La operación del reactor 310 de conformidad con la invención es la siguiente. El suministro de los gases reactivos ingresa al reactor 310 por la abertura 15 de la cubierta inferior 14 y fluye hacia arriba en el interespacio 41 presente entre la coraza 12 y el cartucho 40. El intercambiador de calor de haz de tubos 44 precalienta el suministro de gases reactivos. En la salida del intercambiador de calor de haz de tubos 44, el suministro de gases reactivos es enviado a través de un ducto 58 a la conexión 26 de las placas del intercambiador de calor 22 del primer lecho catalítico 18, como fluido de intercambio de calor operativo. La trayectoria del fluido operativo en las placas de los intercambiadores de calor 22 y 32 es idéntica a la descrita para el reactor 110, y no se repite aquí con objeto de evitar repeticiones innecesarias. La invención también se refiere a un proceso de síntesis catalítica en un reactor químico radial que comprende: una coraza 12 substancialmente cilindrica, cerrada en sus lados opuestos por medio de respectivas cubiertas 14 y 16; un primer lecho catalítico 18 con una sección transversal substancialmente en forma de anillo, soportado de manera coaxial en dicha coraza y teniendo un lado de entrada 20 de gases reactivos y un lado de salida 21 de mezcla de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor 22 soportados y distribuidos en una respectiva porción substancialmente en forma de anillo, de dicho primer lecho catalíticold, un fluido de intercambio de calor operativo que fluye en dichos intercambiadores 22; al menos un segundo lecho catalítico 28 con una sección transversal substancialmente en forma de anillo, soportado de manera coaxial en dicha coraza y a una distancia predeterminada de dicho primer lecho, dicho lecho catalítico teniendo un lado de entrada 30 de mezcla de reacción y un lado de salida 31 de productos gaseosos de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor 32 soportados y distribuidos en una porción respectiva substancialmente en forma de anillo de dicho segundo lecho catalítico 28, dicho flujo de intercambio de calor operativo fluyendo en dichos intercambiadores de calor 32; en donde, están provistos de: una etapa de distribución de los gases reactivos completamente en dicho lado de entrada 20 de dicho primer lecho catalítico 18, y una etapa de distribución de la mezcla de reacción completamente en dicho lado de entrada 30 de dicho segundo lecho catalítico 28. A partir de la descripción previa, puede deducirse claramente que un reactor radial de conformidad con la invención resuelve el problema técnico y proporciona numerosas ventajas, la primera de las cuales siendo el hecho que los gases reactivos son distribuidos a lo largo de las paredes de entrada de los respectivos lechos catalíticos, teniendo una longitud que es más corta que el lecho catalítico simple del arte previo, y entonces los reactivos tienen una velocidad de cruzamiento del lecho catalítico mayor. De esta manera, se obtiene un control mejorado del nivel isotérmico de la reacción, este control siendo necesario para mejorar los rendimientos de la reacción del reactor, para prevenir daño a los catalizadores y para prevenir el deterioro de las partes internas del reactor. De conformidad con una modalidad ventajosa de la presente invención, es posible disponer un número diferente de intercambiadores de calor en cada lecho catalítico, de acuerdo con la cantidad de calor que se requiera intercambiar. En otras palabras, por ejemplo es posible inserta un número mayor de intercambiadores de calor cuando la concentración de los reactivos es mayor y la reacción ocurre más rápidamente, con la necesidad resultante de un intercambio de calor mayor. Por otra parte, cuando la concentración de reactivos es menor y la reacción procede de manera suave, con una consecuente menor necesidad de intercambio de calor, el número de intercambiadores de calor que puede ser usado puede ser reducido, lo que resulta en ahorro de costos. Es ventajosamente posible variar por la misma razón, la longitud de los lechos catalíticos, con objeto de controlar la velocidad de los gases reactivos que atraviesan los lechos y así con objeto de controlar el nivel isotérmico de la reacción. Además, gracias a la presente invención, ventajosamente los gases reactivos alcanzan muy rápidamente en la zona adiabática del primer lecho catalítico, una temperatura de reacción que corresponde a la temperatura de conversión máxima; los gases se mantienen a esta temperatura en la zona pseudo-isotérmica del primer lecho catalítico y en la siguiente zona pseudos-isotérmica del segundo lecho catalítico, y completan la reacción en la zona adiabática en la salida del segundo lecho catalítico. En relación con este aspecto de la invención, se ha descubierto de manera sorprendente que la zona adiabática en la salida del segundo lecho catalítico no causa una perdida substancial en el rendimiento de conversión comparado a la correspondiente zona pseudo-isotérmica, mientras que por el contrario se pueden conseguir ventajas mecánicas considerables en términos de simplicidad constructiva y simplicidad de mantenimiento del reactor, así como simplicidad en la carga y descarga del catalizador. De hecho, sorprendentemente y con gran ventaja, es de notar que, especialmente en el caso del llamado reactor tipo "cuello de botella", ilustrado en las figuras anexas ( es decir, equipado con una cubierta superior de cierre que tiene un diámetro que es substancialmente más pequeño que el diámetro de la coraza, para ofrecer una gran resistencia contra la alta presión operativa), con la configuración de intercambiadores de calor provista por la invención, el ensamble, la operación, y el mantenimiento, son inusualmente simples.

La extensión radial particular de dichas placas de intercambio de calor de conformidad con la invención permite su introducción en el reactor a través de la escotilla provista en la coraza ó a través de la cubierta superior de cierre del reactor (la cuál, como ya se explicó, tiene un diámetro más pequeño que el de la coraza). Además, debido a la extensión radial de solamente una porción del lecho catalítico, llega a ser particularmente más fácil intervenir en las placas de los dos lechos catalíticos, mientras que pueden ser manejados más fácilmente, retirados y reemplazados (cuando ya están desgastados), así como las etapas de carga y descarga del catalizador que resultan inusualmente simples. Obviamente, una persona con conocimientos medios en la materia puede incorporar numerosas modificaciones y variaciones al reactor químico antes descrito, lo anterior para satisfacer requerimientos específicos o contingentes, todas estas modificaciones o variantes estando en cualquier caso cubiertas por el alcance de la protección de la invención, como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Un reactor químico radial (10, 110, 210, 310) para reacciones catalíticas que comprende: una coraza (12) substancialmente cilindrica, cerrada en sus extremos opuestos por medio de respectivas cubiertas (14, 16); un primer lecho catalítico (18) con una sección transversal substancialmente en forma de anillo, soportado de manera coaxial en dicha coraza (12) y teniendo un lado de entrada (20) de gases reactivos y un lado de salida (21 ) de mezcla de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor (22) soportados y distribuidos en una respectiva porción substancialmente en forma de anillo, de dicho primer lecho catalítico (18), un fluido de intercambio de calor operativo fluyendo en dichos intercambiadores (22); al menos un segundo lecho catalítico (28) con una sección transversal substancialmente en forma de anillo, soportado en dicha coraza (12) de manera coaxial respecto de dicho primer lecho (18) y a una distancia predeterminada de dicho primer lecho (18), dicho segundo lecho catalítico (28) teniendo un lado de entrada (30) de mezcla de reacción y un lado de salida (31 ) de productos gaseosos de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor (32) soportados y distribuidos en una porción respectiva substancialmente en forma de anillo de dicho segundo lecho catalítico (28), dicho fluido de intercambio de calor operativo fluyendo en dichos intercambiadores de calor (32); medios (62) para distribuir los gases reactivos completamente en dicho lado de entrada (20) de dicho primer lecho catalítico (18); medios (64) para poner en comunicación fluida el lado de salida (21 ) de dicho primer lecho catalítico (18) con el lado de entrada (30) de dicho segundo lecho catalítico (28); y medios (66) para distribuir la mezcla de reacción completamente en dicho lado de entrada (30) de dicho segundo lecho catalítico (28), caracterizado porque dicha pluralidad de intercambiadores de calor (22) de dicho primer lecho catalítico (18) se extienden en una porción del primer lecho catalítico (18) desde el lado de la salida (21 ) del lecho catalítico (18) mismo, y en que dicha pluralidad de intercambiadores de calor (32) de dicho segundo lecho catalítico (28) se extienden en una porción del segundo lecho catalítico (28) desde el lado de entrada (30) del lecho catalítico (28) mismo.

2. Un reactor químico radial (10, 110, 210, 310) de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado en que dichos intercambiadores de calor (22, 32) son intercambiadores en forma de placas, rectangulares, con forma de cajas.

3. Un reactor químico radial (10, 110, 210, 310) de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado en que al menos uno de dicha pluralidad de intercambiadores de calor (22, 32) de dichos lechos catalíticos (18, 28) está en comunicación fluida con el exterior.

4. Un reactor químico radial (10, 110) de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado en que ambas pluralidades de intercambiadores de calor (22, 32) están colocados en la proximidad de la coraza (12).

5. Un reactor químico radial (210, 310) de conformidad con la reivindicación 1 caracterizado en que dicha pluralidad de intercambiadores de calor (22) de dicho primer lecho catalítico (18) están posicionados en la proximidad de la coraza (12) y dicha pluralidad de intercambiadores de calor (32) de dicho segundo lecho catalítico (28) están posicionados en la proximidad del eje A-A de la coraza (12).

6. Un reactor químico radial (10, 110, 210, 310) de conformidad con la reivindicación 1 , que combinación con el hecho de que comprende una cubierta superior (16) con un diámetro substancialmente más pequeño que el diámetro de la coraza (12).

7. Un proceso de síntesis catalítica en un reactor químico radial (10, 110, 210, 310) que comprende: una coraza (12) substancialmente cilindrica, cerrada en sus extremos opuestos por medio de respectivas cubiertas (14, 16); un primer lecho catalítico (18) con una configuración substancialmente en forma de anillo, soportado de manera coaxial en dicha coraza (12) y teniendo un lado de entrada (20) de gases reactivos y un lado de salida (21 ) de mezcla de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor (22) soportados y distribuidos en una respectiva porción substancialmente en forma de anillo, de dicho primer lecho catalítico (18), un fluido de intercambio de calor operativo fluyendo en dichos intercambiadores (22); al menos un segundo lecho catalítico (28) con una sección transversal substancialmente en forma de anillo, soportado en dicha coraza (12) de manera coaxial respecto de dicho primer lecho (18) y a una distancia predeterminada de dicho primer lecho (18), dicho segundo lecho catalítico (28) teniendo un lado de entrada (30) de mezcla de reacción y un lado de salida (31 ) de productos gaseosos de reacción; una pluralidad de intercambiadores de calor (32) soportados y distribuidos en una porción respectiva substancialmente en forma de anillo de dicho segundo lecho catalítico (28), dicho fluido de intercambio de calor operativo fluyendo en dichos ¡ntercambiadores de calor (32); medios (62) para distribuir los gases reactivos completamente en dicho lado de entrada (20) de dicho primer lecho catalítico (18); medios (64) para poner en comunicación fluida el lado de salida (21 ) de dicho primer lecho catalítico (18) con el lado de entrada (30) de dicho segundo lecho catalítico (28); y medios (66) para distribuir la mezcla de reacción completamente en dicho lado de entrada (30) de dicho segundo lecho catalítico (28), caracterizado porque se hacen fluir los gases reactivos a través de una primera zona adiabática en el primer lecho catalítico, seguido por una primera zona pseudo-isotérmica en el primer lecho catalítico, una segunda zona pseudo-isotérmica en el segundo lecho catalítico y finalmente, una segunda zona adiabática en el segundo lecho catalítico.