MX2015000248A - Reactor para llevar a cabo una reaccion exotermica en la fase de gas. - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un reactor para llevar a cabo una reacción exotérmica en la fase gaseosa, el cual comprende un recipiente que tiene una pared (13) externa compuesta de un material metálico, en donde la cubierta (17) interna está dispuesta en el interior del reactor (1) y la cubierta (17) interna está a una distancia de por lo menos 50 mm desde el interior de la pared (13) externa.

Description

REACTOR PARA LLEVAR A CABO UNA REACCIÓN EXOTÉRMICA EN LA FASE DE GAS La invención procede de un reactor para llevar a cabo una reacción exotérmica en la fase de gas, que comprende un recipiente que tiene una pared exterior compuesta de un material metálico.

Se utilizan reactores de este tipo, por ejemplo, en el caso de las reacciones que se llevan a cabo a temperaturas elevadas. En la presente, el material del que está hecho el reactor tiene que ser seleccionado de modo que sea estable a las temperaturas que prevalecen en el interior del reactor. Particularmente en el caso de medios corrosivos, existe el problema adicional de que el material es atacado por los medios utilizados y el debilitamiento adicional se produce como resultado de las altas temperaturas a las que la reacción se lleva a cabo. En particular, ha de tenerse en cuenta que la pared exterior del reactor es generalmente una parte de soporte de carga en la que la masa del reactor se apoya adicionalmente.

Una reacción que se lleva a cabo a temperatura elevada utilizando medios corrosivos es, por ejemplo, la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre.

Los reactores utilizados en la actualidad para esta oxidación están generalmente hechos de acero inoxidable. Sin embargo, se ha descubierto que el material se daña debido a las temperaturas que se producen durante la oxidación, lo que conduce a una reducción en la resistencia a la fluencia y por lo tanto también a una vida reducida del reactor. Así, por ejemplo, los aceros inoxidables que tienen los números de material 14878 o 14541 generalmente utilizados están sujetos a daños de fluencia a temperaturas superiores a 560°C. El daño resulta de un cambio en las propiedades de los materiales mecánicos que, dependiendo de la evolución de los daños, puede conducir al fracaso.

Es por tanto un objetivo de la presente invención proporcionar un reactor que, en comparación con los reactores conocidos de la teenica anterior, tenga una mayor vida útil al llevar a cabo una reacción exotérmica en la fase de gas o permita temperaturas de fase de gas más altas.

Este objetivo se consigue mediante un reactor para llevar a cabo una reacción exotérmica en la fase de gas, que comprende un recipiente que tiene una pared externa compuesta de un material metálico, donde una carcasa interior está alojada en el interior del reactor y la carcasa interior tiene una espaciamiento de al menos 50 mm hacia el interior de la pared exterior.

El uso de la carcasa interior da lugar a una capa adicional de gas que se forma entre la carcasa interior y la pared exterior del reactor. La capa de gas tiene un efecto aislante, de manera que las temperaturas que actúan sobre la pared exterior son más bajas que las temperaturas en el interior del reactor. Esto evita que la pared exterior se vea sometida a temperaturas que tengan un efecto adverso sobre la estabilidad de la pared exterior, de modo que se aumenta la vida útil del reactor. En particular, el uso de la carcasa interior evita que el material de la pared exterior se vuelva quebradizo a causa de las temperaturas dentro del reactor y disminuyan como resultado la estabilidad y la resistencia de la pared exterior. La fragilización de la carcasa interior tiene un efecto mucho menos dramático dado que la carcasa interior no tiene una función de soporte de carga. A diferencia de la fragilidad de la pared exterior, la fragilización de la carcasa interior no conduce a un posible fallo del reactor.

El reactor de la invención es particularmente adecuado para llevar a cabo reacciones exotérmicas en la fase de gas que se llevan a cabo a temperaturas elevadas, por ejemplo a temperaturas superiores a 300°C, preferiblemente a temperaturas superiores a 500°C. En particular, el reactor es adecuado para llevar a cabo reacciones que contienen medios que son agresivos con el material de la pared exterior, por ejemplo para la reacción del dióxido de azufre con oxígeno para formar S03. El S03 producido de esta manera se utiliza, por ejemplo, en la preparación de ácido sulfúrico.

En una realización, la carcasa interior está hecha del mismo material que la pared exterior. Un material adecuado para la fabricación de la pared exterior y la carcasa interior es, por ejemplo, acero inoxidable. En la presente, se selecciona el acero inoxidable de modo que sea estable con los medios comprendidos en el reactor. Cuando se utiliza el reactor para preparar trióxido de azufre por oxidación de dióxido de azufre, son adecuados los aceros inoxidables que tienen los números de material 14878 o 14541 , por ejemplo. Estos son estables hacia el trióxido de azufre y dióxido de azufre comprendidos en el reactor y también tienen una suficiente estabilidad a largo plazo cuando la temperatura a la que está expuesta el acero inoxidable se puede mantener por debajo de 560°C. Dado que la carcasa interior no tiene una función de soporte de carga, a diferencia de la pared exterior, la fragilización y una disminución asociada en la resistencia del material no conducen al fracaso del reactor, y en condiciones de funcionamiento habituales tampoco dañan a la carcasa interior.

Una ventaja adicional de la carcasa interior es que en el caso de un daño, la sustitución de la carcasa interior puede llevarse a cabo sin que el reactor tenga que ser reemplazado.

Como una alternativa a la producción de la pared exterior y la carcasa interior a partir del mismo material, tambien es posible utilizar diferentes materiales para la producción de pared exterior y carcasa interior. Por ejemplo, es posible utilizar diferentes aceros. También es posible hacer la pared exterior de un acero y la carcasa interior de un material resistente al calor que sea inerte hacia los materiales comprendidos en el reactor. Como material para la carcasa interior, también es posible utilizar, por ejemplo, elementos no metálicos, por ejemplo una cerámica o vidrio. También es posible recubrir la carcasa interior con el fin de reducir la radiación de calor. Un material de recubrimiento adecuado para la carcasa interior es, por ejemplo, las lanas minerales resistentes a alta temperatura.

También es posible hacer la pared exterior de un material distinto a acero inoxidable. En la presente, también es necesario utilizar un material que sea estable hacia los materiales comprendidos en el reactor. Gracias a la carcasa interior y la fase de gas entre la carcasa interior y la pared exterior, la temperatura a la que está expuesta la pared exterior es menor que la temperatura en el interior del reactor. Por tanto, es tambien posible utilizar un material que sea menos estable térmicamente que el acero inoxidable de la pared exterior. Sin embargo, se prefiere el uso de acero inoxidable como material para la pared exterior. Por otra parte, se da preferencia particular a hacer la pared exterior y la carcasa interior del mismo material.

En una realización preferida adicional, existe un hueco entre la carcasa interior y la parte inferior y/o la tapa del reactor. El gas puede fluir desde el reactor a través del hueco entre la carcasa interior y la pared exterior. Esto garantiza, en particular, que la misma presión prevalezca en el hueco entre la carcasa interior y la pared exterior como en el reactor. Como un resultado, la capa interior no está presurizada en un lado, a saber el interior, pero en cambio la presión actúa uniformemente sobre la carcasa interior de todos los lados.

El hueco entre la carcasa interior y la parte inferior y/o la tapa del reactor se mantiene tan pequeño que, aunque se produzca la igualación de presión, sólo se genera un pequeño flujo de gas a través del hueco entre la carcasa interior y la pared exterior. Cuanto menos se mueve el gas en el hueco entre la carcasa interior y la pared exterior, mejor será el efecto aislante del gas. En el caso de flujo de gas uniforme, por otro lado, el gas caliente se transporta normalmente en el hueco de manera que el efecto aislante previsto por la brecha no se produzca. En el caso de la introducción de gas frío, es posible enfriar la carcasa interior y la pared exterior por medio del flujo de gas.

En una realización, el reactor comprende partes internas. Para los fines de la presente invención, las partes internas son, por ejemplo, bandejas, empaques estructurados o no estructurados o lechos de elementos de empaque. Las bandejas adecuadas que pueden alojarse en el reactor son, por ejemplo, bandejas de tamiz, bandejas de casquete de burbujeo o cualquier otra bandeja deseada conocida por aquellos con experiencia en la téenica. Se da preferencia particular a al menos una bandeja que está alojada como parte interna en el reactor.

En una realización adicional, al menos un lecho de catalizador está comprendido en el reactor. El lecho de catalizador se puede configurar, por ejemplo, como lecho fijo o como lecho fluidizado. Cuando el lecho de catalizador es un lecho fluidizado, al menos una bandeja que sirve como distribuidor de gas en el lecho fluidizado se aloja preferiblemente en el reactor. Entre el material granular para el lecho fluidizado y la bandeja por encima, que actúa como tapa, se deja una separación suficiente para permitir que el material del lecho fluidizado sea suficientemente fluidizado por un gas que fluye a través de él. El lecho de catalizador es preferiblemente un lecho fijo. Para este propósito, el catalizador que forma el lecho fijo puede, por ejemplo, descansar en una bandeja. A diferencia del caso de un lecho fluidizado, un lecho fijo es independiente de la dirección de flujo. Por lo tanto, el flujo a través de este también puede ser, por ejemplo, hacia abajo desde la parte superior. Cuando un lecho de catalizador está comprendido en el reactor, la bandeja sobre la que descansa el catalizador es, por ejemplo, una rejilla o una hoja de soporte de metal para el catalizador.

En la preparación de S03 por oxidación de dióxido de azufre, se da preferencia a un lecho de catalizador en forma de un lecho fijo.

En una realización particularmente preferida, el reactor se divide en una pluralidad de segmentos, donde cada segmento tiene al menos una entrada y al menos una salida y cada segmento comprende un lecho de catalizador y un espacio de gas por encima del lecho de catalizador. La división del reactor en una pluralidad de segmentos se logra preferiblemente por medio de bandejas intermedias. En el caso de un lecho de catalizador configurado como un lecho fijo, la entrada se encuentra, por ejemplo, por encima del lecho de catalizador en el espacio de gas de manera que el gas que fluye a traves del lecho de catalizador se puede introducir a través de la entrada. En un espacio de gas por debajo del lecho de catalizador, el gas que fluye a través del lecho de catalizador se recoge y puede entonces retirarse del espacio de gas por debajo del catalizador en mejor manera a través de una salida.

Cuando se utiliza un lecho de catalizador, la reacción química tiene lugar normalmente en el lecho de catalizador. En una realización particularmente preferida, el reactor de la invención se usa para la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre. Para este propósito, el dióxido de azufre gaseoso y un gas que comprende oxígeno son alimentados y el dióxido de azufre reacciona con el oxígeno para formar trióxido de azufre. Como un gas que comprende oxígeno, es posible utilizar, por ejemplo, oxígeno o aire. Cuando se utiliza oxígeno, un gas inerte puede estar compuesto adicionalmente. Como alternativa, también es posible que el aire esté adicionalmente enriquecido en oxígeno. Sin embargo, se da preferencia particular al uso de aire.

En la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre, los gases se introducen a una temperatura en el intervalo de 400 a 460°C. La reacción se produce en presencia de un catalizador a una presión manométrica de 0,4 bar. Debido a la naturaleza exotérmica de la reacción, el gas que comprende trióxido de azufre, dióxido de azufre y, cuando se utiliza aire, oxígeno y nitrógeno que deja el reactor tiene una temperatura de 550-650°C. Por consiguiente, las temperaturas en este rango también se generan en el reactor. Por encima de una temperatura de 560°C, el uso de aceros 14878 o 14541 da como resultado una vida reducida debido a la alteración de las propiedades mecánicas de materiales con una disminución en la fuerza. Para evitar el fallo del reactor, por lo tanto, la carcasa interior está alojada de acuerdo con la invención en el reactor. La carcasa interior da lugar a la formación de una capa aislante entre la carcasa interior y la pared exterior del reactor, de modo que se reduce la temperatura que actúa sobre la pared exterior del reactor. Así, por ejemplo, es posible llevar la temperatura de la pared exterior a una temperatura en el intervalo de 400 a 560°C por medio de la carcasa interior. De esta manera, la resistencia a la fluencia no se reduce y la vida del reactor se incrementa. Dado que, a diferencia de la pared exterior del reactor, la carcasa interior no tiene ninguna función de soporte de carga, la fragilización de la carcasa interior no genera daños en el reactor que afecten adversamente la operación.

Cuando la reacción, por ejemplo la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre, se lleva a cabo en presencia de un catalizador y el reactor comprende adicionalmente un lecho fluidizado, se prefiere particularmente que el material del lecho fluidizado sea catalíticamente activo. Para ello, todo el material granular del lecho fluidizado puede ser catalíticamente activo o, como alternativa, el lecho fluidizado puede comprender un catalizador heterogéneo además de un material granular inerte. El catalizador puede, por ejemplo, del mismo modo ser mezclado en forma granular en el material granular inerte del lecho fluidizado. Sin embargo, se prefiere particularmente que todo el material granular del lecho fluidizado sea catalíticamente activo.

En el caso de un lecho fijo, es posible, por ejemplo, utilizar el embalaje catalíticamente activo o elementos de relleno catalíticamente activos. Se prefiere particularmente hacer el empaque o elementos de empaque a partir un material de soporte sobre el que se aplica el material catalíticamente activo.

El catalizador adecuado para la reacción que se lleva a cabo en el reactor es en cada caso utilizado como catalizador.

Cuando una reacción distinta de la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre se lleva a cabo en el reactor, también es posible que el reactor esté hecho de un material distinto del acero inoxidable. El material a partir del cual se produce la pared exterior del reactor depende de la reacción. Es habitual emplear un material que es inerte frente a los materiales que van a reaccionar en el reactor. Independientemente del material de la pared exterior, también se da preferencia a hacer la carcasa interior del mismo material que la pared exterior. Tal carcasa interior se usa preferiblemente cuando la temperatura que actúa sobre el material de la pared exterior es tan alta que se puede producir un daño a la pared exterior. Como resultado de la carcasa interior, se forma una capa aislante entre la carcasa interior y la pared exterior, de modo que la temperatura que actúa sobre la pared exterior del reactor se puede reducir.

Se representan en las figuras ejemplos de la invención que se explican en más detalle en la siguiente descripción.

Las figuras muestran: Figura 1 una sección de un reactor construido de acuerdo con la invención, Figura 2 una distribución de temperatura sin carcasa interior, Figura 3 una distribución de la temperatura con la carcasa interior.

La Figura 1 representa una sección de un reactor.

La sección muestra una mitad derecha de un reactor 1 que está dividida en dos segmentos 3. Además de los dos segmentos 3 aquí mostrados, se pueden comprender más segmentos 3. Estos se disponen adecuadamente por encima y/o por debajo.

Cuando se utiliza el reactor para la oxidación de dióxido de azufre a trióxido de azufre, cada segmento 3 por lo general tiene un espacio de gas inferior 5, un lecho de catalizador 7 y un espacio de gas superior 9. El lecho de catalizador 7 está configurado generalmente en forma de un lecho fijo y descansa en una bandeja 11. En este caso, la bandeja 11 es, por ejemplo, una rejilla o una hoja de soporte de metal para el catalizador.

En funcionamiento, una corriente de gas que comprende los materiales de inicio necesarios para la reacción se introduce en el espacio de gas superior 9. En el espacio de gas superior 9, la corriente de gas se introduce en el lecho de catalizador 7. En el lecho de catalizador 7, los materiales de partida de la corriente de gas se convierten en el producto. El gas que comprende el producto se acumula en el espacio de gas inferior 5 y se puede extraer. Cuando la reacción del gas es incompleta, el gas que comprende el producto en el espacio de gas inferior 5 también comprende materiales de inicio.

En el caso de una reacción exotérmica, se libera calor durante la reacción y, en particular, el lecho de catalizador 7 se calienta como resultado. Dado que el gas caliente sale del lecho de catalizador 7, por lo menos la pared exterior debajo del lecho catalítico también se calienta.

Un reactor normalmente tiene una pared exterior metálica 13. Gracias a la alta temperatura en el interior del reactor, la pared exterior 13 está provista en su exterior con aislamiento 15.

Gracias a las altas temperaturas en el interior del reactor que se producen debido a las reacciones exotérmicas, la pared exterior 13 se somete a una temperatura correspondientemente alta. Esto puede, en el caso de algunos materiales, derivar en un daño térmico al material de la pared exterior 13. Así, por ejemplo, los aceros 14878 o 14541 generalmente utilizados para la pared exterior 13 en la oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre se someten a daños por fluencia a las temperaturas que se producen en la reacción y esto deriva en una vida reducida del reactor general 1. La reducción de la vida útil es producto de la fragilizactón con una disminución en la resistencia de la pared exterior 13.

De acuerdo con la invención, una carcasa interior 17 está, por tanto, alojada en el interior del reactor 1 y se sitúa con una separación definida a la pared exterior 13. Así, la carcasa interior 17 forma un hueco entre la carcasa interior 17 y la pared exterior 13. La carcasa interior 17 está, en particular, dispuesta en las posiciones en las que se producen temperaturas superiores a la temperatura que podrían producir daños de fluencia al material de la pared exterior 13 en el reactor.

El hueco 19 entre la pared exterior 13 y la carcasa interior 17 se llena con un gas. El gas tiene un efecto aislante y la temperatura que actúa sobre la pared exterior 13 es por lo tanto menor que sin el uso de la cubierta interior 17. De esta manera, la temperatura que actúa sobre la pared exterior 13 se puede mantener por debajo de la temperatura crítica que conduce a daños de fluencia.

La carcasa interior 17 está, en este caso, preferiblemente hecha del mismo material que la pared exterior 13.

El gas comprendido en el hueco 19 entre la pared exterior 13 y la carcasa interior 17 es preferiblemente el gas alimentado en el reactor. Para este propósito, es posible, por ejemplo, proporcionar un hueco 21 entre una bandeja intermedia 23 por medio de la cual los segmentos 3 y el gas carcasa interior 17 se dividen. Luego, el gas puede salir a traves del hueco 21 del hueco 19 entre la carcasa interior 17 y la pared exterior 13. Por el otro lado, el hueco 19 está, por ejemplo, abierto al espacio de gas superior 9. Cuando se proporciona una bandeja adicional entre el espacio de gas superior 9 y el lecho de catalizador 7, se prefiere proporcionar la carcasa interior 17 en la región del lecho de catalizador 7 y el espacio de gas inferior 5, y se proporciona una abertura de entrada entre el lecho de catalizador 7 y la bandeja de separación del espacio de gas superior 9 a través de la cual el gas puede entrar en el hueco 19 entre carcasa interior 17 y la pared exterior 13. Sin embargo, es habitual no proporcionar una bandeja por encima del lecho de catalizador 7 de modo que el gas pueda fluir directamente desde el espacio de gas superior 9 en el hueco 19 entre la carcasa interior 17 y la pared exterior 13.

Cuando entra gas frío en el hueco, no es necesario mantener el flujo de gas muy bajo puesto que el propio gas tiene igualmente una acción de enfriamiento.

Una distribución de la temperatura sin carcasa interior se muestra a modo de ejemplo en la figura 2.

Aquí, la temperatura del gas en el interior del reactor se muestra por una línea y la temperatura en la pared exterior se muestra por la otra. El perfil de temperatura en el interior se denota por el número de referencia 25 y el perfil de temperatura en la pared exterior se denota por el número de referencia 27.

La posición en el segmento 3 de la entrada del gas a la salida del gas se muestra en el eje x y la temperatura se muestra en el eje y.

El gas se alimenta con una temperatura de 450°C, y fluye a través del espacio de gas superior 9 hasta que alcanza el lecho de catalizador 7. En el lecho de catalizador 7, la reacción química comienza y, debido a su naturaleza exotérmica, conduce a un aumento de la temperatura. La temperatura se eleva a 630°C. El gas se toma con una temperatura correspondiente del espacio de gas inferior 5. El gas se introduce de nuevo en el espacio de gas superior 9 del segundo segmento a una temperatura de 450°C y la temperatura aumenta de nuevo en el lecho de catalizador. Gracias al dióxido de azufre que ha reaccionado en el primer segmento, la temperatura máxima en el segundo segmento es menor que en el primer segmento y la temperatura se eleva sólo a 560°C.

Debido a la alta temperatura de la corriente de gas, el metal de la pared exterior también se calienta. Sin embargo, como resultado de la transferencia de calor por convección y conducción de calor, la temperatura máxima en la pared exterior es inferior a la temperatura en el interior de la corriente de gas. En adición, la temperatura disminuye de nuevo en la región del espacio de gas inferior 5 hasta que alcanza el espacio de gas superior 9 de un segmento situado debajo, ya que la pared exterior se enfría en la región del espacio de gas superior 9 del segmento posterior. Esto conduce, debido a la conducción de calor, a una mayor disminución de la temperatura en el espacio de gas inferior 5 del segmento 3.

Sin embargo, la temperatura máxima en la pared exterior que se produce como resultado de la temperatura de la corriente de gas es, en el caso de una pared exterior de acero, cuando se utiliza el reactor para la oxidación de dióxido de azufre a trióxido de azufre por encima de la temperatura crítica superior a la que se producen daños de fluencia al acero.

La Figura 3 muestra, a modo de ejemplo, el perfil de temperatura en la corriente de gas y en la pared exterior cuando se utiliza una carcasa interior.

El perfil de temperatura en la corriente de gas corresponde a la que también se produce sin el uso de la carcasa interior. Sin embargo, la temperatura que actúa sobre la pared exterior 13 es significativamente inferior como resultado de la utilización de la carcasa interior 17. Por lo tanto, en este ejemplo, la temperatura máxima en cada caso en el segmento superior es de aproximadamente 525°C y en el segmento inferior es de aproximadamente 500°C. Por lo tanto, las temperaturas se mantienen por debajo de la temperatura crítica a la que se reduce la resistencia a la fluencia del acero del que está hecha la pared exterior 13.

Lista de números de referencia I Reactor 3 Segmento 5 Espacio de gas inferior 7 Lecho de catalizador 9 Espacio de gas superior I I Bandeja 13 Pared exterior 15 Aislamiento 17 Carcasa interior 19 Hueco 21 Hueco 23 Bandeja Intermedia 25 Perfil de temperatura en el interior 27 Perfil de temperatura en la pared exterior

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un reactor para llevar a cabo una reacción exotermica en la fase de gas, que comprende un recipiente que tiene una pared exterior (13) compuesta de un material metálico, donde una carcasa interior (17) está alojada en el interior del reactor (1 ) y la carcasa interior (17) tiene una separación de al menos 50 mm en el interior de la pared exterior (13).

2. El reactor de acuerdo con la reivindicación 1 , donde la carcasa interior (17) está hecha del mismo material que la pared exterior (13).

3. El reactor de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, donde al menos una bandeja se acomoda en el reactor (1 ).

4. El reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde un lecho de catalizador (7) está presente en el reactor (1 ).

5. El reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde el reactor (1 ) se divide en una pluralidad de segmentos (3), donde cada segmento (3) tiene al menos una entrada y al menos una salida y cada segmento (3) comprende un lecho de catalizador (7) y un espacio de gas (9) por encima del lecho de catalizador.

6. El reactor de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, donde el lecho de catalizador (7) comprende un catalizador heterogéneo.

7. El reactor de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, donde una bandeja intermedia (23) está alojada en el reactor (1 ) para separar en cada caso dos segmentos (3).

8. El uso del reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para llevar a cabo una reacción exotérmica en la fase de gas, donde la reacción se lleva a cabo a una temperatura por encima de 300°C.

9. El uso del reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 para llevar a cabo una reacción del dióxido de azufre con oxígeno para formar S03.