MXPA02006855A - Reactor catalitico. - Google Patents

Abstract

Un reactor (10) catalitico que comprende una pluralidad de elementos (tubulares o placas) (12) impermeables a fluidos que definen canales (15) de flujo entre ellos. Una hoja (16) de material corrugado cuyas superficies estan recubiertas con material catalitico forma el ajuste hermetico dentro de cada canal (15) de flujo. En cada extremo del reactor (10) hay cabezales (18) para suministrar mezclas de gas a los canales (15) de flujo, los cabezales se comunican con los canales adyacentes que estan separados. El reactor (10) permite que diferentes mezclas de gas se suministren a los canales (15) adyacentes, las cuales pueden estar a diferentes presiones, y las reacciones quimicas correspondientes son tambien diferentes. En donde una de las reacciones es endotermica la otra reaccion es exotermica, se transmite calor a traves de la pared del tubo (12) que separa los canales (15) adyacentes, de la reaccion exotermica a la reaccion endotermica. El reactor (10) puede ser utilizado en una planta compacta para efectuar la conversion de vapor/metano, obteniendo el calor necesario por combustion catalitico del metano, y tambien para sintesis Fischer-Tropsh.

Description

REACTOR CATALÍTICO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona con un reactor catalítico adecuado para uso en realización de reacciones en fase gaseosa a altas presiones, y particularmente, aunque no de manera exclusiva, para realizar reacciones endotérmicas y también con un procedimiento químico que utiliza el reactor catalítico. Es bien conocido el uso de material catalítico soportado sobre un sustrato metálico. Por ejemplo, GB 1 490 977 describe un catalizador que comprende un sustrato de aleación ferrítica que tiene aluminio, recubierto con una capa de óxido refractario como alúmina, óxido de titanio u óxido de zirconio, y después con un metal catalítico del grupo de platino. Como se describe en GB 1 531 134 y GB 1 546 097, un cuerpo de catalizador puede comprender hojas sustancialmente planas y hojas corrugadas de material dispuestas alternadamente de manera que definen canales a través del cuerpo, en donde varias de tales hojas están distribuidas en un apilamiento, o dos de tales hojas se enrollan juntas para formar un serpentín. En estos ejemplos, tanto las hojas planas como las corrugadas tienen corrugados a pequeña escala superpuestas sobre las mismas para ayudar en la formación de recubrimiento. Tales cuerpos catalizadores se describen como adecuados para uso en el tratamiento de gases de escape de vehículos . La construcción de un reactor catalítico compacto en el cual los canales de flujo para los gases se definen por ranuras en placas distribuidas en un apilamiento, y en las cuales las placas se unen (utilizando soldadura) , como se describe en WO 99/64146 (DBB Fuel Cell Engines GmbH) . Por lo menos parte de las ranuras pueden contener un catalizador en las paredes, mientras que se puede suministrar un medio de transferencia de calor al otro conjunto de ranuras; si se desea la reacción es endotérmica, y el calor se puede suministrar directamente por oxidación catalítica de un combustible en las otras ranuras. Por ejemplo, se puede utilizar para conversión de hidrocarburos en vapor de agua. Tal reactor se denomina como un microreactor, y las ranuras se denominan como microestructuras; por ejemplo, las placas mismas se dice que tienen un espesor entre 0.3 y 0.5 mm, de manera que las ranuras son de un área en sección transversal muy pequeña. Para muchos procedimientos químicos tales canales de flujo en pequeña escala no son útiles, debido únicamente a la caída de presión que se presenta como consecuencia, necesaria para provocar flujo a través de las mismas. El documento EP 0 885 653 A (Friedrich et al) describe un tipo alternativo de reactor catalítico en el cual los canales son de una sección transversal más grande, definidos por una hoja grande única doblada en acordeón o zigzag, de manera que forma muchas trayectorias de flujo paralelas, y con una lámina delgada corrugada colocada en cada trayectoria de flujo. Las láminas delgadas se pueden recubrir con catalizadores adecuados. Las láminas delgadas son removibles. Tal reactor no es adecuado para uso con una diferencia de presión significativa entre canales de flujo adyacentes dado que cualquier diferencia de presión debe ser soportada por toda el área de cada canal de flujo; y debido a que un lado y ambos extremos del canal de flujo están abiertos. El documento de E.U. 6 098 396 = DE 19 923 431 (Wen et al.) describe un reactor catalítico para uso en combinación con un motor de combustión interna, que consiste de varias láminas delgadas corrugadas con diferentes catalizadores en las mezclas opuestas que se pueden suministrar al primero y segundo canales de flujo de gas . El segundo de los canales de flujo de gas se puede definir por tubos estrechos, por ejemplo tubos que se extienden dentro de los primeros canales de flujo de gas, transversales a la dirección de flujo en estos canales. Alternativamente, los segundos canales de flujo de gas también se pueden definir entre las hojas metálicas, los primeros y segundos canales de flujo de gas se definen de manera alternada entre tales hojas sucesivas. Se mejora el buen contacto térmico entre gases en canales de flujo adyacentes por interposición de una lámina delgada de metal corrugado dentro de cada canal de flujo de gas. Esta lámina delgada también puede actuar como un portador para el material catalítico. Las hojas de metal adyacentes se pueden comprimir uniéndose, o se pueden unir, por ejemplo por unión por difusión. Para asegurar el buen contacto térmico necesario, el primero y segundo canales de flujo de gas preferiblemente tienen una anchura menor de 5 mm en por lo menos una dirección transversal a la dirección de flujo de gas. De manera más preferible, el primero y segundo canales de flujo de gas tienen una anchura menor de 2 mm en por lo menos una de tales direcciones . Por ejemplo, las hojas pueden ser tubos concéntricos, de manera que los canales de flujo de gas son canales anulares, cada canal anular ubica una hoja generalmente cilindrica de material corrugado, las superficies de las hojas del material corrugado están recubiertas con material catalítico. En este caso, los cabezales se pueden proporcionar en cada extremo de los tubos para suministrar mezclas de gas a los canales anulares, los cabezales se comunican con canales adyacentes y están separados. Para asegurar una buena transferencia de calor entre las hojas corrugadas y los tubos, cada tubo de manera deseable tiene un ajuste apretado alrededor de la hoja corrugada adyacente; y preferiblemente se ensambla por un procedimiento de acoplamiento y contracción. Por lo tanto, de manera preferible cada tubo se calienta antes de deslizarse sobre las partes interiores del montaje, las partes interiores están a temperatura ambiente; de manera alternativa, las partes interiores se pueden enfriar antes de insertarse en el tubo, y el tubo está a temperatura ambiente. Las hojas corrugadas (las cuales pueden tener corrugados a también a pequeña escala) no son estructurales, de manera que pueden ser de una lámina delgada de metal, delgada. Los tubos pueden tener una pared lo suficientemente gruesa para resistir diferencias de presión, de manera que diferentes mezclas de gas puedan estar a presiones diferentes. En un método preferido de construcción, los tubos y las hojas corrugadas inicialmente se ensamblan como se describe en lo anterior, dejando los extremos abiertos; el recubrimiento o recubrimientos del material catalítico después se aplican; y los cabezales o distribuidores se fijan posteriormente a los extremos del reactor. Alternativamente, las hojas pueden ser planas, con ranuras maquinadas a través de su superficie para definir canales de flujo de gas. De esta manera el reactor puede comprender un apilamiento de tales placas planas, las ranuras en placas adyacentes siguen trayectorias diferentes. Las ranuras en sí mismas pueden ser, por ejemplo, de 20 mm de ancho, y cada ranura alberga una hoja corrugada o una lámina delgada de material recubierto con material catalítico. Para asegurar que los canales de flujo de gas son herméticos a gas, de manera deseable las placas se unen. Cuando se utiliza el reactor catalítico, la mezcla de gas suministrada a cada canal anular es diferente de la mezcla de gas suministrada a canales adyacentes, y las reacciones químicas correspondientes también son diferentes. Preferiblemente, una de las reacciones es endotérmica mientras que la otra reacción exotérmica. En este caso, se transfiere calor a través de la pared del tubo o la hoja que separa canales adyacentes, de la reacción exotérmica a la endotérmica. Preferiblemente, las hojas mismas, cuando son tubulares o planas, también están recubiertas con material catalítico adecuado . Este reactor es adecuado particularmente para realizar conversión de metano/vapor (la cual es una reacción endotérmica que genera hidrógeno y monóxido de carbono) , y los canales alternados pueden contener una mezcla de metano/aire de manera que la reacción de oxidación exotérmica proporcione el calor necesario para la reacción de conversión endotérmica. Para la reacción de oxidación, se pueden utilizar diversos catalizadores diferentes, por ejemplo paladio o platino sobre un soporte cerámico; por ejemplo platino sobre un soporte de alúmina estabilizado con lantano, o paladio sobre óxido de zirconio. El catalizador preferido para la reacción de oxidación es platino sobre alúmina estabilizada. Para la reacción de conversión también se pueden utilizar diversos catalizadores diferentes, por ejemplo níquel, platino, paladio, rutenio o rodio, los cuales se pueden utilizar sobre recubrimientos cerámicos; el catalizador preferido para la reacción de conversión es rodio o platino/rodio sobre alúmina. La reacción de oxidación se puede llevar a cabo sustancialmente a presión atmosférica, mientras que la reacción de conversión preferiblemente se lleva a cabo a alta presión, por ejemplo hasta 2 MPa (20 atmósferas) , y de manera más típica 300 kPa o 500 kPa. Se apreciará que los materiales de los cuales se elaboran los reactores se someten a una atmósfera muy corrosiva cuando se utilizan, por ejemplo la temperatura puede ser tan elevada como 900 °C, aunque de manera más típica es de aproximadamente 750 'C. El reactor puede estar elaborado de metal tal como un acero ferrítico con aluminio, en particular del tipo conocido como Fecralloy (marca comercial) , el cual es hierro hasta con un contenido de 20% de cromo, 0.5 - 12% de aluminio y 0.1 - 3% de itrio. Por ejemplo, puede estar constituido de hierro con 15% de cromo, 4% de aluminio y 0.3% de itrio. Cuando este metal se calienta en aire se forma un recubrimiento de óxido adherente de alúmina que protege a la aleación impidiendo oxidación adicional. Cuando se utiliza este metal como sustrato catalizador, se recubre con una capa cerámica en la cual se incorpora el material catalizador, la capa de óxido de alúmina sobre el metal se considera que se une con el recubrimiento de óxido, de manera que se asegura que el material catalítico se adhiera al sustrato metálico. La invención ahora se describirá de manera más particular por medio de los ejemplos únicamente, y con referencia a los dibujos anexos, en los cuales: La figura 1 muestra una vista en sección longitudinal de un reactor catalítico; la figura 2 muestra una vista en sección transversal del reactor, sobre la línea 2-2 de la figura 1 ; la figura 3 muestra un diagrama de flujo de un procedimiento químico que se puede llevar a cabo con el reactor de las figuras 1 y 2; la figura 4 muestra una vista en sección de las placas apiladas para formar otro reactor catalítico alternativo; la figura 5 muestra una vista en perspectiva despiezada de tres hojas que forman un módulo de otro reactor catalítico alternativo; la figura 6 muestra una vista en perspectiva de otro reactor catalítico alternativo; la figura 7 muestra una vista en planta de una placa utilizada para formar otro reactor catalítico alternativo; la figura 8 muestra una vista en planta de una placa utilizada para formar otro reactor catalítico alternativo; y las figuras 9a y 9b muestran vistas en planta de placas utilizadas para formar otro reactor catalítico alternativo. Con referencia a la figura 1, se muestra un reactor 10 catalítico que consiste de varios tubos 12 de presión alojados concéntricamente de acero Fecralloy, cada uno con una pared que tiene un espesor de 0.5 mm (en la figura se muestran sólo cuatro, pero el número de tubos 12 puede, en la práctica, ser hasta de 15 o 16) . El tubo 12 más interior contiene un elemento 14 de calentamiento eléctrico. Como se muestra en la figura 2, los canales 15 anulares entre los tubos 12 colocan láminas delgadas 16 de acero Fecralloy corrugado cuyos corrugados típicamente son de 2.0 mm de alto (pico a pico), con un paso de 2.0 mm. Las láminas delgadas 16 corrugadas se pueden elaborar como se describe en GB 1 546 097, al hacer pasar una tira plana de acero Fecralloy con un espesor de 0.05 mm a través de dos conjuntos sucesivos de rodillos de corrugado. El primer rodillo forma corrugados en miniatura que se extienden a través de la tira en un ángulo agudo respecto a su eje longitudinal; los corrugados en miniatura pueden tener una altura, por ejemplo, de 0.1 mm y tener un paso de 0.1 mm. La tira después se hace pasar a través de un segundo conjunto de rodillos de corrugado los cuales producen corrugados de tamaño más grande sin dañar el corrugado miniatura. El corrugado más grande se extiende a través de la tira en el mismo ángulo agudo que el eje longitudinal, y como se menciona antes típicamente es de 2.0 mm de alto y con un paso de 2.0 mm. El reactor 10 se ensambla al cortar una longitud de la tira corrugada igual a la circunferencia del primer canal anular, y al colocarla sobre el tubo 12 más interior; el siguiente tubo puede ser del tipo de ajuste apretado sobre la tira corrugada, pero se calienta a 250 'C antes de deslizarse sobre la tira corrugada, de manera que cuando se contrae queda apretado sobre la tira corrugada. Una vez que se ha enfriado, se repite este procedimiento. Una longitud de la tira corrugada se corta igual a la circunferencia del siguiente canal anular, y se coloca sobre el tubo 12 exterior; el siguiente tubo se calienta a 250 "C antes de deslizarse sobre la tira corrugada, de manera que se encoje y se aprieta sobre la misma. Cada tira puede tener una anchura igual a la longitud axial del canal anular, o de manera alternativa y preferible se pueden colocar varias tiras más estrechas lado a lado hasta constituir la longitud axial necesaria. Por sencillez de elaboración, todas las tiras corrugadas se elaboran con los mismos rodillos, de manera que todos los corrugados tienen la misma orientación. Por lo tanto, cualquier corrugado que hace contacto con los bordes de la tira en las posiciones cuya separación (a lo largo de la longitud de la tira) es preferiblemente igual a la circunferencia del primer canal anular. En consecuencia, cuando se ensamblan en el reactor 10, cada uno de los corrugados define una trayectoria helicoidal. Cuando la totalidad de los tubos 12 y las láminas delgadas 16 corrugadas se han ensamblado, las superficies del primero, tercero, quinto, etcétera canales 15a anulares se recubren con una sol de óxido de zirconio, y las superficies del segundo, cuarto, sexto, etcétera canales anulares 15b se recubren con una sol de alúmina. Esto se puede llevar a cabo al bloquear temporalmente el extremo de un conjunto de canales anulares, por ejemplo con cera, y al sumergir el montaje en la sol apropiada.

El montaje después se seca lentamente y después se sinteriza, por ejemplo en un horno al aire, incrementando la temperatura, por ejemplo, hasta 1100 'C durante un período de cuatro horas y después manteniéndolo a esa temperatura durante cuatro horas adicionales. Después de enfriar el montaje recubierto, los materiales de catalizador después se introduce, por ejemplo, en forma de una sal o del metal apropiado: se introduce paladio en el recubrimiento de óxido de zirconio y los canales 15a, y se introduce rodio sobre el recubrimiento de alúmina dentro de los canales 15b en este ejemplo. Los catalizadores metálicos después se conforman por tratamiento por calor para descomponer (o reducir) la sal . Las capas 18 de extremo anulares después se sueldan por láser sobre los extremos de cada canal 15 anular, cada capa 18 de extremo se comunica con un ducto 20 de entrada o de salida. El diámetro externo del reactor 10 resultante es de 50 mm y tiene una longitud de 500 mm. El reactor 10 es particularmente adecuado para realizar la conversión de vapor/metano, es decir, la reacción: H20 + CH4 - CO + 3H2 Esta reacción es endotérmica, y es catalizada por catalizador de rodio en los canales 15b. El calor necesario para llevar a cabo esta reacción se puede proporcionar por combustión de metano, es decir: CH? + 20, - CO, + 2H,0 la cuales una reacción exotérmica, y es catalizada por el catalizada por el catalizador de paladio en los canales 15a. El calor generado por esta reacción de combustión se transporta a través de los paredes de los tubos 12 a los canales 15b adyacentes. Por lo tanto, cuando se utiliza el reactor 10, inicialmente se calienta utilizando el elemento 14 de calentamiento eléctrico. Después se suministra una mezcla de metano y aire a la totalidad de los canales 15a a presión aproximadamente atmosférica, en donde experimenta combustión catalítica. Se suministra una mezcla de vapor y metano a los canales alternados 15b, en donde se produce la reacción de conversión de vapor/metano; la mezcla de vapor y metano preferiblemente está a presión elevada, pues esto incrementa el caudal de masa y también permite que se trate una mayor cantidad de gas metano. Por ejemplo, estos canales 15b pueden estar a una presión de 1 MPa. La mezcla de gas producida por la conversión de vapor/metano se puede utilizar para realizar una síntesis de Fischer-Tropsch, es decir: monóxido de carbono + hidrógeno - parafina u olefina (por ejemplo de C10) + agua la cual es una reacción exotérmica, que se produce a alta temperatura, por ejemplo 320 °C y alta presión (por ejemplo 1.8-2.2 MPa) en presencia de un catalizador tal como hierro, cobalto o magnetita fundida, con promotor de potasio. La naturaleza exacta de los compuestos orgánicos formados por la reacción depende de la temperatura, la presión y el catalizador así como la relación de monóxido de carbono respecto al hidrógeno. El calor generado por esta reacción de síntesis se puede utilizar para proporcionar por lo menos parte del calor necesario para la reacción de conversión de vapor/metano, por ejemplo se puede utilizar un fluido de transferencia de calor tal como helio para calentamiento desde un reactor en el cual se produce la síntesis de Fischer-Tropsch, el calor es utilizado para precalentar por lo menos una de las corrientes de gases suministrados al reactor 10. Con referencia ahora a la figura 3, se muestra el procedimiento químico total como un diagrama de flujo. La mayor parte de los fluidos se encuentran a una presión elevada de 10 bar (1 MPa) . El gas 24 de alimentación consiste principalmente de metano, con un porcentaje pequeño (por ejemplo, 10%) de etano y propano, a 10 bar. Se hace pasar a través de un intercambiador 25 de calor de manera que se encuentra a aproximadamente 400 'C y después se suministra vía un mezclador 26 de remolino fluídico a un primer reactor 28 catalítico; en el mezclador 26, el gas de alimentación se mezcla con una corriente de vapor que también está a aproximadamente 400 'C y 10 bar, estas corrientes entran al mezclador 26 a través de entradas tangenciales y siguen una trayectoria espiral a una salida axial de manera que se mezclan profundamente. La primera parte del reactor 28 es un preconversor 29 con un catalizador de metanación de níquel a 400 °C, en el cual los alcanos superiores reaccionan con el vapor para formar metano (y monóxido de carbono) . La segunda parte del reactor 28 es un conversor 30 con un catalizador de platino/rodio, en el cual el metano y el vapor reaccionan para formar monóxido de carbono e hidrógeno. Esta reacción se puede llevar a cabo a 800 'C, el calor se proporciona por combustión de metano sobre catalizador de paladio (o de platino) . Los gases calientes del conversor 30 después se enfrían a la hacerlos pasar a través de un intercambiador 31 de calor para proporcionar el vapor caliente que se suministra al mezclador 26 de remolino, y después a través de un intercambiador 25 de calor en el cual pierde calor hacia el gas de alimentación. La corriente de monóxido de carbono e hidrógeno después se suministra a un tercer reactor 32 en el cual reaccionan el monóxido de carbono y hidrógeno, experimentando la síntesis de Fischer-Tropsch para formar una parafina o compuesto similar. Esta reacción es exotérmica, y preferiblemente se lleva a cabo aproximadamente 350 *C, y el calor se utiliza para precalentar el vapor suministrado al intercambiador 31 de calor, utilizando un fluido de intercambio de calor tal como helio que circula entre los canales del intercambiador de calor en el reactor 32 y el generador 33 de vapor. Durante esta síntesis, el volumen de los gases disminuye, de manera que el procedimiento también se realiza a presión elevada de 10 bar. Los gases resultantes después se hacen pasar a un condensador 34 en el cual intercambian calor con agua inicialmente a 25'C. Los alcanos superiores (por ejemplo de 5 átomos de carbono y superiores) se condensan como un líquido, al igual que el agua, esta mezcla de líquidos se hace pasar a un separador 35 por gravedad; los alcanos superiores separados después se pueden retirar como el producto deseado, mientras que el agua se regresa vía los intercambiadores 33 y 31 de calor al mezclador 26. Cualquier alcano inferior o metano y el hidrógeno remanente pasan a través del condensador 34 y después se suministran a un condensador 36 refrigerado en el cual se enfrían los gases y vapores hasta aproximadamente 5°C. Los gases remanentes, que consisten principalmente de hidrógeno, dióxido de carbono, metano y hetano, se hacen pasar a través de una válvula 37 de ventilación liberadora de presión a una antorcha 38. Los vapores condensados, que consisten principalmente de propano, butano y agua, se hacen pasar a un separador 39 de gravedad desde el cual se combina el agua con el agua reciclada del separador 35, mientras tanto, los alcanos se reciclan a la entrada del reactor 32 de Fischer-Tropsch. La temperatura a la cual se hacen descender los vapores en el primer condensador 34 determinan los pesos moleculares de los alcanos que se condensan, y los que surgen como producto. Por lo tanto, la cambiar la temperatura del agua suministrada al condensador 34 se pueden modificar las características del producto. El esquema de reacción anterior se basa en que la relación de vapor/metano está cercana al requerimiento estequiométrico para el conversor 30, el catalizador de rodio es particularmente resistente a la coquificación; esto tiene el beneficio de que se forman cantidades despreciables de dióxido de carbono en el conversor 30, de manera que no es necesario tratar adicionalmente los gases (utilizando la reacción de desplazamiento de gas y agua inversas) para convertir dióxido de carbono nuevamente a monóxido de carbono. También se apreciará que si el gas de alimentación consiste únicamente de metano, entonces se puede omitir el preconversor 29. Cuando se utiliza de esta manera, el resultado total del procedimiento es que el metano se convierte a hidrocarburos de peso molecular más alto los cuales habitualmente son líquidos a temperaturas y presiones ambientales. El procedimiento se puede utilizar en un pozo de petróleo o de gas para convertir gas natural en un hidrocarburo líquido el cual es más fácil de transportar.

Se apreciará que el reactor 10 de las figuras 1 y 2 se puede utilizar para realizar diversos procedimientos químicos y que el catalizador dentro de cada canal 15 debe ser adecuado para el procedimiento correspondiente. Los gases se pueden distribuir para que fluyan a través de los canales 15 del reactor en paralelo, o en serie. Los flujos de las dos mezclas de gas en canales 15 adyacentes pueden estar a contracorriente o bien en corriente conjunta, y las direcciones del corrugado (y por lo tanto de los flujos elicoidales) en canales 15 adyacentes pueden ser paralelos o inclinados. Bajo ciertas circunstancias, el flujo elicoidal se puede utilizar para iniciar la separación centrífuga entre productos líquido y gaseoso de una reacción. También se apreciará que el reactor 10 puede diferir de muchas maneras de las descritas antes mientras permanezca dentro de la presente invención. Por ejemplo, el número de tubos 12 concéntricos y la anchura radial de los canales 15, puede diferir de la que se ha descrito, y los canales pueden tener una longitud diferente, por ejemplo 100 mm. El calentador 14 eléctrico se puede sustituir por una fuente de calor alternativa, por ejemplo un calentador de inducción. Con referencia ahora a la figura 4 y al reactor 40 alternativo que está constituido de un apilamiento de placas 42, cada una de acero Fecralloy, en este caso las placas tienen un cuadrado de 200 mm y un espesor de 3 mm (se muestran sólo parte de las dos placas, en sección, en la figura) . Las ranuras 44 de anchura de 8 mm y profundidad de 2.5 mm se extienden a todo lo ancho de cada placa 42 paralelas a un lado, separadas por valles 45 de una anchura de 3 mm, en donde se maquinan las ranuras 44. Una lámina delgada 46 portadora de acero Fecralloy de 50 µm de espesor recubierta con recubrimiento cerámico que contiene un material catalizador, y con un corrugado de 2.5 mm de alto, se localiza en cada una de tales ranuras 44. Se ensambla un apilamiento de tales capas 42 con las láminas delgadas 46 de catalizador, la orientación de las ranuras 44 puede diferir en 90' en placas 42 sucesivas, y se cubren con una placa superior plana de acero Fecralloy; el apilamiento después se une por difusión por calentamiento del apilamiento a una temperatura en el intervalo de 600 'C a 1200 °C en una atmósfera inerte. El apilamiento de las placas se puede proporcionar por calentadores ya sea en esta etapa o subsecuentemente. De esta manera, los canales de flujo de gas se definen por las ranuras 44, un conjunto de canales se extiende desde la derecha a la izquierda del apilamiento, por ejemplo, y el otro conjunto de canales (en las placas 42 alternadas) se extienden desde la parte frontal a la parte trasera del apilamiento. Se comprenderá que el tipo de material cerámico depositado sobre las láminas delgadas 46 corrugadas en los canales de flujo de gas puede ser diferentes en placas 42 sucesivas en el apilamiento, y que los materiales catalizadores también pueden diferir. Por ejemplo (al igual que en el reactor 10 de las figuras 1 y 2), el material cerámico puede estar constituido de alúmina en uno o más de los canales de flujos de gas, y de zirconia en el otro de los canales de flujo de gas. Preferiblemente, después de unión por difusión, el apilamiento de las placas 42 después se somete a aproximadamente 900 "C mientras se hace pasar una corriente de gas oxidante a través de todas las ranuras 44 que definen los canales de flujo de gas. Esto promueve la formación de una capa de óxido rica en alúmina sobre las superficies de los canales. Después de esta etapa de oxidación, el apilamiento se enfría hasta la temperatura ambiente, y se bombea una suspensión acuosa ya sea de alúmina o de sol de óxido de zirconio a través de las ranuras 44 y después se permite que se elimine por drenado (de manera que deja un recubrimiento de sol sobre las paredes de los canales) ; la viscosidad de la suspensión de sol se puede ajustar ya sea al cambiar su pH o la concentración, y la eliminación del exceso de sol se puede basar en el drenado bajo gravedad, o puede requerir bombeo, dependiendo de la viscosidad. El apilamiento después se sinteriza en una atmósfera oxidante a una temperatura, por ejemplo, de aproximadamente 800 'C, de manera que las partículas de sol de alúmina sintericen sobre la capa de óxido encima de la superficie del acero de Fecralloy de manera que forman una capa de material cerámico catalizador-portador. Esta capa de manera deseable tiene un espesor en el intervalo de 10-50 µm, y las etapas de recubrimiento con la sol apropiada y después la sinterización se puede repetir, si es necesario, para obtener el espesor deseado. Finalmente, se bombea una solución de una sal de metal catalítico apropiado a través de los canales 44, y el apilamiento después se seca y se trata térmicamente en una atmósfera reductora (u oxidante) para producir la forma deseada de metal catalizador dispersado sobre la capa de portador cerámico dentro de los canales 44 de flujo de gas. Al igual que con el reactor 10, el reactor formado de las placas 42 puede ser adecuado para realizar la conversión de vapor/metano, por ejemplo utilizando un catalizador de rodio. El calor necesario para provocar esta reacción se puede proporcionar con combustión de metano, el cual puede ser catalizado por un catalizador de paladio. Debido a que las placas 42 que forman el apilamiento se unen, los canales de flujo de gas son herméticos al gas (además de la comunicación con los calentadores en cada extremo) y las presiones en los canales de flujo de gas alternados también puede ser diferente, como se ha mencionado en relación al reactor 10. Con referencia ahora a la figura 5, esta muestra una vista en perspectiva despiezada de tres hojas de acero Fecralloy las cuales, cuando se ensamblan, forman un módulo de otro reactor catalítico alternativo. Cada hoja 50, 54 y 56 generalmente es rectangular, de 30 mm por 100 mm, las hojas 50 y 56 son de un espesor de 0.3 mm y las hojas 54 de un espesor de aproximadamente 50 µm, y cada una está conformada hidráulicamente. La primera hoja 50 es presionada para formar un rebajo 51 rectangular, de una profundidad de 1 mm, rodeada por un reborde 52 periférico plano en el cual se encuentran rebajos 53 de entrada y de salida. La hoja 54 media tiene una sección rectangular central en la cual están corrugados 55 paralelos, la longitud de los corrugados 55 es ligeramente menor que la altura de los rebajos 51, rodeados por un reborde 52 periférico plano; los corrugados 55 se proyectan 1 mm por encima del plano del reborde 52 sobre cada lado de la hoja 54. La tercera hoja 56 forma un rebajo 57 rectangular, de 1 mm de profundidad, rodeado por un reborde 52 periférico plano, en el cual se encuentran los rebajos 58 de entrada y de salida. Las superficies de los corrugados 55 se recubren con una capa delgada de material cerámico combinado con un material catalítico. El material cerámico y el material catalítico recubren los corrugados 55 en un lado de la hoja 54 y pueden ser diferentes del material cerámico y el material de catalizador que recubre los corrugados 55 en el lado opuesto de la hoja 54. Las hojas 50, 54 y 56 después se ensamblan, con los corrugados 55 proyectándose dentro de los rebajos 51 y 57, y los tres rebordes 52 periféricos se unen por soldadura, cobresoldadura o unión por difusión. Después se pueden suministrar diferentes mezclas de gas a los canales de flujo de gas definidos en lados opuestos de la hoja 54 central, una mezcla de gas se proporciona a través de los rebajos 53, y la otra a través de los rebajos 58. Una pluralidad de tales módulos de tres hojas se pueden ensamblar y se proporcionan con cabezales para diferentes mezclas de gas. Con referencia ahora a la figura 6, ésta muestra una vista en perspectiva de un reactor 60 catalítico alternativo que consiste de un apilamiento de placas 32 rectangulares de acero Fecralloy, cada una de 100 mm de largo, 50 mm de ancho y con un espesor de 0.1 mm, separadas por láminas delgadas 64 corrugadas también de acero Fecralloy, la altura de los corrugados (y también la separación entre las placas 62) es de 4 mm. Las láminas delgadas 64 definen varias ranuras transversales que se alinean entre sí. Cada lado del apilamiento es una placa 66 lateral, y muchos tubos 68 estrechos se extienden a través de orificios taladrados en las placas 66 laterales y a través de las ranuras alineadas en las láminas delgadas 64, existen 24 de tales tubos 68 a lo largo de la longitud de cada lámina delgada 64 corrugada, los tubos 68 están separados por 4 mm. Cada tubo 68 es de acero Fecralloy, con un diámetro interno de 2 mm y con un espesor de pared de 0.1 mm. Los tubos 68 se unen por difusión (o alternativamente por cobresoldadura) a las placas 66 laterales. Las superficies interiores de los tubos 68 se recubren con un material cerámico y catalizador para una reacción que se produce a presión elevada, tal como conversión de metano, y las superficies de los canales están definidas por las láminas delgadas 64 corrugadas y las placas 62 se recubren con un material cerámico y un catalizador para una reacción diferente, tal como combustión de metano, como en los reactores descritos previamente. Los cabezales (no mostrados) se unen a las placas 66 laterales para suministrar una mezcla de gas a través de los tubos 68 y los cabezales (no mostrados) se unen a los extremos del apilamiento para suministrar una mezcla de gas a través de los canales definidos por las láminas delgadas 64 corrugadas y las placas 62. Se apreciará nuevamente que existe buen contacto térmico entre los gases en los dos conjuntos de canales de flujo de gas. Se apreciará que los beneficios de tales pasajes de flujo de gas estrechos son que las longitudes de trayectoria de difusión son cortas y que las tasas de transferencia de calor y de masa aumentan debido a que existe menos efecto de la capa límite. Por lo tanto, se mejora la velocidad de reacción química, la cual requiere difusión de las especies que reaccionan en contacto con las superficies catalíticas, así como también la velocidad de transferencia de calor entre la reacción exotérmica y la reacción endotérmica. En consecuencia, tales reactores catalíticos pueden proporcionar una alta densidad de energía. Como se describe en lo anterior, los recubrimientos cerámicos se pueden depositar de un material en forma de un sol, es decir, una dispersión que contiene partículas con un tamaño de partícula entre 1 nm y 1 µm. Para un sol particular, tal como sol de alúmina, la manera en la cual se prepara el sol determina el tamaño de partícula. Algunos soles de alúmina tienen partículas individuales como las partículas de sol primaria (las denominadas no agregadas) , mientras que algunos soles de alúmina tienen partículas en sol que son agregados de partículas más pequeñas. En general, el tipo agregado de sol proporcionará un recubrimiento cerámico más poroso que un sol no agregado. Por lo tanto, al seleccionar el tipo de sol utilizado, o al mezclar diversas cantidades de tipos diferentes de soles, se puede controlar la porosidad del recubrimiento cerámico. Se puede controlar la actividad catalítica del recubrimiento cerámico al ajustar la porosidad del material cerámico y la cantidad de material catalítico. Cuando se elabora un reactor catalítico para funcionar en una reacción muy exotérmica, se puede desear ajustar la actividad catalítica a lo largo de la trayectoria de flujo, por ejemplo para proporcionar inicialmente poca actividad catalítica, y una actividad catalítica mayor adicionalmente a lo largo de la trayectoria de flujo, de manera que se evite la formación de los denominados puntos calientes. Esto puede ser apropiado, por ejemplo, en el caso de reactores para realizar la síntesis de Fischer-Tropsch. Cuando se utiliza un sol de óxido de zirconio para formar un recubrimiento cerámico de óxido de zirconio se aplican consideraciones similares; y además es deseable incluir cationes tales como itrio de manera que formen óxido de zirconio estabilizado, particularmente cuando el recubrimiento cerámico pueda alcanzar altas temperaturas durante el funcionamiento, pues el óxido de zircónio estabilizado proporciona un área superficial estable. Con referencia nuevamente a la figura 4, se apreciará que los canales 44 de flujo de gas pueden variar en anchura y profundidad a lo largo de su longitud, de manera que varíen las condiciones de flujo de fluido, así como el calor de los coeficientes de transferencia de masa, ni de esta manera se controlan las reacciones químicas en lugares diferentes dentro del reactor 40. Esto es particularmente aplicable en un reactor para la síntesis de Fischer-Tropsch, en el cual disminuye el volumen de gas, por ejemplo mediante ahusamiento apropiado de los canales 44 la velocidad de gas se puede mantener conforme la reacción se lleva a cabo. Además, se puede variar el paso o patrón de las láminas delgadas 46 corrugadas a lo largo del canal 44 del reactor para ajustar la actividad catalítica y por lo tanto proporcionar control sobre las temperaturas o velocidades de reacción en puntos diferentes en el reactor 40. Las láminas delgadas 46 corrugadas también se pueden conformar, por ejemplo con perforaciones para promover el mezclado de fluido dentro de los canales 44. Con referencia ahora a la figura 7, un reactor 70 alternativo comprende un apilamiento de placas 71 de acero de Fecralloy, cada placa generalmente es rectangular, de 125 mm de largo y 82 mm de ancho, con un espesor de 2 mm. A lo largo de la porción central de cada placa 71, se maquinan 7 ranuras 72 rectangulares paralelas, cada una con una profundidad de 0.75 mm, con una ranura 74 de cabezal de la misma profundidad en cada extremo, la ranura 74 de cabezal se extiende hacia un borde lateral de la placa 71. Sobre la superficie superior de la placa 71 que se muestra en la figura, la ranura 74 de cabezal en el extremo inferior se extiende al borde derecho de la placa 71, mientras que en el extremo superior se extiende hacia el borde izquierdo de la placa 71. Las ranuras en la superficie opuesta de la placa 71 son idénticas, pero los cabezales (indicados con líneas discontinuas) se extienden en lados opuestos de la placa 71. Las placas 71 sucesivas tienen sus ranuras 74 de cabezal en distribuciones en imagen al espejo, de manera que las ranuras 74 adyacentes se extienden hacia el mismo lado del apilamiento. Dentro de cada ranura 72 rectangular existen tres láminas delgadas 76 a, b y c de Fecralloy corrugadas, cada una con un espesor de 50 µm y con sus corrugados de 1.8 mm de alto, pero que difieren en paso o longitud de onda de sus corrugados. Para asegurar una alineación precisa de las placas 71 durante el ensamblado, se proporcionan orificios 75 en cada extremo dentro de los cuales se localizan clavijas. El apilamiento de las placas 71 y las láminas delgadas 76 se ensamblan y comprimen durante la unión por difusión, de manera que las láminas delgadas se comprimen a una altura de 1.5 mm. Después los plenos 78 de flujo de gas se someten a cobresoldadura sobre el apilamiento en cada esquina, cada pleno 78 se comunica con un conjunto de ranuras 74 de cabezal . Con referencia ahora a la figura 8, un reactor 80 alternativo tiene ciertas similitudes con el reactor 70 en que comprende un apilamiento de placas 81 de acero de Fecralloy, cada placa es generalmente rectangular, de 125 mm de largo y 90 mm de ancho con un espesor de 2 mm. A lo largo de la porción central de cada placa 81 se maquinan 7 ranuras 82 rectangulares paralelas, cada una con una anchura de 4 mm y una profundidad de 0.75 mm, y una separación de 5 mm, con una ranura 84 de cabezal de la misma profundidad en cada extremo, la ranura 84 de cabezal se extiende a una abertura 83 de cabezal cerca de un borde lateral de la placa 81. Sobre la superficie superior de la placa 81 que se muestra en la figura, el gas fluye por lo tanto desde la abertura 83 a la parte inferior izquierda, hasta la abertura 83 en la parte superior derecha. Las ranuras sobre la superficie opuesta de la placa 81 son idénticas pero los cabezales (indicados con líneas discontinuas) se extienden a las aberturas 87 de cabezal cerca de los lados opuestos de la placa 81. Las placas 81 sucesivas tienen sus ranuras 84 de cabezal en distribuciones de imagen al espejo, de manera que las ranuras 84 adyacentes se comunican con los mismos pares de abertura 83 u 87 de cabezal. Dentro de cada ranura 82 rectangular existen 3 láminas 86 a, b y c de Fecralloy corrugadas, cada una con un espesor de 50 µm y con sus corrugados con una altura de 1.8 mm, pero que difieren en el paso o longitud de onda de sus corrugados . Para asegurar una alineación precisa de las placas 81 durante el ensamblado, se proporcionan orificios 85 en cada extremo dentro de las cuales se localizan clavijas. El apilamiento de las placas 81 y las láminas delgadas 86 se ensambla y comprime durante la unión por difusión, de manera que las láminas delgadas se comprimen hasta 1.5 mm de altura. Las conexiones de los plenos de flujo de gas se realizan después a las aberturas 83 y 87 en la parte superior del apilamiento, las cuales se cierran en la parte inferior del apilamiento. No sólo el reactor 80 difiere del reactor 70 en tener cabezales integrales definidos por las aberturas 83 y 87 (en lugar de los plenos 78) , pero además se definen siete ranuras 88 a través de las placas 81 en cada valle entre las ranuras 82 rectangulares, cada ranura 82 tiene una anchura de 1 mm y una longitud de 6 mm. Después del ensamblado del apilamiento de estas ranuras 88 se proporciona una trayectoria de flujo para una tercera corriente de gas, por ejemplo para precalentamiento de una corriente de gas . Con referencia nuevamente a las figuras 9a y 9b, un reactor 90 alternativo comprende un apilamiento de láminas delgadas 92 corrugadas separadas por bastidores 93. Cada bastidor (como se muestra en la figura 9a) comprende una placa 93 generalmente cuadrada de acero Fecralloy, un cuadro de 60 mm y con un espesor de 1 mm, que define cuatro aberturas 94 rectangulares, cada una de 50 mm por 10 mm. En cada extremo de la placa 93 está una ranura 95 de cabeza con una profundidad de 0.5 mm que se comunica por medio de muescas con cada abertura 94. Cerca de las esquinas de cada placa 93 están aberturas 96 de cabezal. Existen dos tipos de bastidor, los cuales se utilizan de manera alternada en el apilamiento. En un tipo (como se muestra) , las ranuras 95 de cabezal se comunican con las aberturas 96 en la parte inferior izquierda y la parte superior derecha de la placa 93 (como se muestra) , mientras que en el otro tipo (no mostrado) , las ranuras 95 de cabezal se comunican con las aberturas 96 en la parte superior izquierda e inferior derecha de la placa 93. Cada lámina delgada 92 (tal y como se muestra en la figura 9b) también es un cuadrado de 60 mm, y tiene un espesor de 0.5 mm. Cerca de cada esquina se definen aberturas 96 de cabezal . Cuatro áreas 98 rectangulares (que corresponden a las aberturas 94) se someten a corrugado con una amplitud de 0.5 mm por encima y por debajo del plano de la lámina delgada. En la práctica, cada una de tales áreas 98 generalmente se corruga en el mismo patrón, pero se muestran cuatro patrones diferentes: el área 98a tiene corrugados que se extienden longitudinalmente a lo largo del canal de flujo; el área 98b tiene corrugados que se extienden transversalmente a la dirección de flujo; el área 98c tiene concavidades; mientras que el área 98d tiene corrugados que se extienden longitudinalmente y también concavidades. El reactor 90 consiste de un apilamiento de las láminas delgadas 92 separadas por los dos tipos de bastidor 93 utilizados de manera alternada, la parte inferior del apilamiento comprende una placa cuadrada en blanco (no mostrada) seguida por un bastidor 93, y la parte superior del apilamiento comprende un bastidor 93 cubierto por una placa cuadrada (no mostrada) que define aberturas que corresponden a las aberturas 96. El apilamiento se ensambla y comprime durante la unión por difusión para formar un reactor integral . Se apreciará que se pueden diseñar muchos reactores diferentes utilizando los principios de la invención. Por ejemplo, se puede proporcionar catalizador dentro de los canales de flujo de gas en forma de un empacado permeable al gas de esferas cerámicas pequeñas, por ejemplo de un diámetro de 0.1 mm, estas se empacan en los corrugados de la lámina delgada metálica. En este caso, la lámina delgada metálica proporciona la superficie principal de transferencia de calor para los gases, mientras que las reacciones químicas se llevan a cabo en las esferas catalíticas. Esto permite que el catalizador pueda separarse y sustituirse si su actividad disminuye.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Un reactor catalítico, que comprende una pluralidad de láminas metálicas distribuidas para definir primeros canales de flujo de gas entre hojas adyacentes, un medio para definir segundos canales de flujo de gas en proximidad con los primeros canales de flujo de gas distribuidos de manera que se asegura buen contacto térmico entre los gases en el primero y segundo canales de flujo de gas, material catalítico sobre por lo menos algunas superficies dentro de cada canal de flujo, y cabezales para suministrar mezclas de gas a los canales de flujo de gas, los cabezales se distribuyen para suministrar diferentes mezclas de gas al primero y segundo canales de flujo de gas, las hojas metálicas son sustancialmente planas y los canales de flujo de gas se definen por ranuras en las mismas de manera que los gases en el primero y segundo canales de flujo de gas pueden diferir en presión por varias atmósferas, y las porciones de la hoja entre las ranuras que están en contacto con la hoja metálica adyacente y de esta manera proporcionan contacto térmico, y las hojas metálicas se unen como un apilamiento, y están caracterizadas porque las láminas delgadas corrugadas se proporcionan en los canales de flujo de gas, las láminas delgadas son de un acero ferrítico con aluminio que forma un recubrimiento de óxido adherente de alúmina cuando se calienta en aire, y que tienen un material catalítico sobre sus superficies.

2. El reactor catalítico, como se describe en la reivindicación 1, en donde las láminas delgadas de metal corrugado se comprimen dentro de los canales de flujo.

3. El reactor catalítico, como se describe en la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde se proporcionan corrugados de paso, longitud de onda o patrón diferentes, en posiciones sucesivas a lo largo del canal de flujo.

4. El reactor catalítico, como se describe en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las láminas delgadas corrugadas se conforman para promover el mezclado del fluido dentro del canal de flujo.

5. El reactor catalítico, como se describe en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde por lo menos parte de los canales de flujo de gas varía en anchura y profundidad a lo largo de su longitud.

6. Un método para realizar reacciones químicas entre gases, en donde la mezcla de gas se suministra al primero de los canales de flujo de gas el cual es diferente de la mezcla de gas que se suministra al segundo de los canales de flujo, cada mezcla de gas experimenta una reacción, y una de las reacciones es endotérmica mientras que la otra reacción es exotérmica, de manera que se transfiere calor entre los canales adyacentes, y caracterizada por utilizar un reactor, como se describe en cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

7. El método, como se describe en la reivindicación 6, en el que la reacción endotérmica es conversión de metano/vapor .

8. El método, como se describe en la reivindicación 7, en el que la reacción de conversión de lleva a cabo a presión elevada, entre 200 kPa y 2 MPa.

9. Un procedimiento para procesar metano para producir hidrocarburos de cadena más larga, el procedimiento comprende realizar la conversión de vapor/metano en un primer reactor catalítico, como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, al suministrar vapor y metano a temperatura y presión elevadas al primero de los canales de flujo de gas del primer reactor catalítico, y realizar la combustión del metano para generar calor dentro del segundo de los canales de flujo de gas del primer reactor catalítico; realizar la síntesis de Fischer-Tropsch en un segundo reactor catalítico como se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 al suministrar la mezcla de gas que resulta de la conversión de vapor/metano al segundo reactor catalítico; y condensar componentes líquidos de la mezcla fluida que resulta de la síntesis de Fischer-Tropsch.

10. El procedimiento, como se describe en la reivindicación 9, que también comprende transferir calor generado durante la síntesis de Fischer-Tropsch para precalentar un gas suministrado al primer reactor catalítico.

11. El procedimiento, como se describe en la reivindicación 9 o la reivindicación 10, que comprende además transferir calor desde la mezcla de gas que resulta de la conversión de vapor/metano para precalentar un gas suministrado al primer reactor catalítico.

12. El procedimiento, como se describe en la reivindicación 9, la reivindicación 10 o la reivindicación 11, que comprende además extraer hidrocarburos de cadena corta de la mezcla de fluido que resulta de la síntesis de Fischer-Tropsch, y hacer recircular estos hidrocarburos de cadena corta en el segundo reactor catalítico para experimentar nuevamente síntesis de Fischer-Tropsch.