MXPA06006318A - Reactor quimico pseudo isotermico para reacciones quimicas heterogeneas - Google Patents

Abstract

Se describe un reactor químico pseudo-isotérmico para reacciones químicas heterogéneas que comprende una coraza substancialmente cilíndrica cerrada en sus extremos opuestos por respectivas tapas, superior e inferior, un espacio de reacción conteniendo al menos un lecho catalítico y al menos un intercambiador de calor tubular, con objeto de ser cruzado a lo largo de una dirección predeterminada por un flujo de un fluido de intercambio de calor operante e insertado en dicho lecho catalítico.

Description

REACTOR QUÍMICO PSEUDO - ISOTÉRMICO PARA REACCIONES QUÍMICAS HETEROGÉNEAS DESCRIPCIÓN Campo de aplicación La presente invención, en su aspecto más general, se refiere a un reactor químico pseudo-isotérmico para reacciones químicas heterogéneas comprendiendo una coraza substancialmente cilindrica cerrada en los extremos opuestos por respectivas tapas, superior e inferior, un espacio de reacción definido en dicha coraza para recibir un lecho catalítico y al menos una unidad intercambiadora de calor apoyada en dicho espacio de reacción y comprendiendo una pluralidad de intercambiadores de calor.

Estado de la técnica Es sabido que para una óptima consumación de reacciones químicas exotérmicas o endotérmicas, es necesario retirar o, respectivamente, suministrar calor al medio de reacción para controlar su temperatura en proximidad cercana a un valor teórico prefijado. Es también sabido, que para tal propósito, son ampliamente usados intercambiadores de calor de tipos muy variados, insertados en el medio de reacción (generalmente un lecho catalítico) y cruzados internamente por un flujo de un fluido intercambiador de calor operante apropiado . En particular, se han obtenido resultados satisfactorios gracias al uso de los llamados intercambiadores de calor de placas, p.e. consistiendo de un par de placas metálicas generalmente rectangulares paralelas, que están separadas con un espacio entre ellas y perimetralmente unidas para definir una cámara que se pretende sea cruzada por un flujo operante de intercambio de calor. Aunque es ventajoso desde algunos puntos de vista, tales intercambiadores de placas sufren una desventaja conocida; ellos no resisten diferencias de presiones elevadas entre el interior y el exterior de los intercambiadores mismos y, cuando están expuestos a tales condiciones, ellos tienden a deformarse o a doblarse. Consecuentemente, frecuentemente hay una variación uniforme en la sección de tránsito del flujo operante con variaciones consistente relativas en la cantidad de calor intercambiado con respecto a las condiciones de diseño; esto significa que ya no es posible controlar de manera exacta la pseudo-isotermicidad de la reacción, con una consecuente reducción en el rendimiento de la reacción misma.

Sumario de la invención El problema técnico subyacente de la presente invención es el de proveer un reactor químico pseudo-isotérmico comprendiendo una unidad intercambiadora de calor teniendo características funcionales y estructurales capaces de superar las desventajas citadas anteriormente con referencia al estado de la técnica, en otras palabras una unidad de intercambio de calor para intercambiadores de calor los cuales pueden soportar aún diferencias de presiones elevadas que puedan suceder, a propósito o no, entre el interior de los intercambiadores y el ambiente de reacción en el cual dicha unidad esté operando.

El problema técnico antes mencionado es resuelto por un reactor químico pseudo - isotérmico para reacciones químicas heterogéneas del tipo considerado arriba, caracterizado en que al menos uno de dichos intercambiadores de calor consiste de un serpentín obtenido de un elemento tubular simple y tiene dimensiones globales aplanadas, substancialmente paralelepípedas . Preferentemente, dicho intercambiador de calor de serpentín comprende una pluralidad de porciones rectilíneas tubulares paralelas, conectadas de principio a fin por una pluralidad correspondiente de porciones curvilíneas pertinentes . En particular, dichas porciones rectilíneas tubulares tienen la misma longitud y tienen ejes longitudinales coplanares . Otras características y ventajas de la invención llegarán a ser más claras a partir de la descripción detallada de una modalidad de un reactor químico de conformidad con la invención, dadas en lo sucesivo con referencia a los dibujos anexados, para propósitos indicativos y no limitantes .

Breve descripción de los dibujos La Fig. 1 muestra una vista parcial seccional en perspectiva de un reactor de conformidad con la invención La Fig. 2 muestra esquemáticamente una modalidad alternativa del reactor de la Fig . 1. La Fig. 3 representa esquemáticamente una vista a escala agrandada de un detalle de la Fig. 1. La Fig. 4 representa esquemáticamente una vista seccional del detalle de la Fig. 3 a lo largo de la línea IV-IV. La Fig. 5 representa una modalidad alternativa del detalle de la Fig. 3. La Fig. 6 representa esquemáticamente una vista seccional de una modalidad alternativa del reactor de la Fig. 1. La Fig. 7 representa esquemáticamente una vista seccional de la modalidad alternativa de la Fig. 6.

Descripción detallada de la invención Con referencia a la Fig. 1, un reactor químico pseudo - isotérmico de conformidad a la presente invención es globalmente indicado con 1. El reactor 1 comprende una coraza cilindrica 2, cerrada en sus extremos por respectivas tapas, superior 3 e inferior 4, respectivamente equipados con una abertura 16, para la entrada por ejemplo de reactivos gaseosos, y una abertura 17, para la salida de productos de reacción. En dicha coraza 2 se define un espacio de reacción 5, con objeto de recibir un lecho catalítico (no representado) y en el cuál es sostenido de manera convencional una unidad intercambiadora de calor 6, comprendiendo una pluralidad de intercambiadores de calor 7. De conformidad con una primer característica de la presente invención, cada uno de dichos intercambiadores de calor 7 consiste (Figs. 3, 4) de un serpentín obtenido de un solo elemento tubular de diámetro predeterminado y el cual tiene dimensiones globales aplanadas, substancialmente paralelepípedas . Dicho serpentín tiene porciones rectilíneas 8, todas paralelas y de igual longitud, conectadas de principio a fin por porciones curvilíneas pertinentes, preferentemente semicirculares 9.

Ventajosamente, dichas porciones rectilíneas 8 están dispuestas en una relación espaciada semejante y tienen un eje longitudinal coplanar. De conformidad con otra característica de la presente invención, dichos intercambiadores de calor de serpentín 7 están colocados en el espacio de reacción 5 , para que las respectivas porciones rectilíneas 8 se extiendan radialmente en la coraza 2 y, más precisamente, en dicho espacio de reacción 5. Debido al arreglo antes mencionado de los intercambiadores de calor 7 , la unidad intercambiadora de calor 6, consistiendo de ellos, toma una configuración substancialmente cilindrica, coaxial y concéntrica respecto del espacio de reacción 5, en el cual éste esta colocado, los intercambiadores de calor de serpentín 7 estando colocados radialmente en dicha unidad 6. Ventajosamente (Fig. 2), de conformidad con una modalidad alternativa de dicha unidad intercambiadora de calor 6, los intercambíadores de calor 7 siempre están dispuestos radialmente, pero en muchos arreglos coaxiales y concéntricos (tres en el ejemplo), uno dentro del otro.

Los intercambiadores de calor 7 de serpentín tubular se pretende sean cruzados por un fluido intercambiador de calor adecuado. Para tal propósito, en la tapa superior 3 del reactor 1, dichos intercambiadores 7 están en comunicación fluida con el exterior de dicho reactor 1 a través de respectivos accesorios suministradores 12, todos dirigidos a un ducto distribuidor anular 11, a su vez en comunicación con el exterior del reactor 1 a través de un ducto suministrador 10, el cuál cruza dicha tapa superior 3. En la tapa inferior 4 del reactor 1, los intercambiadores de calor de serpentín 7 están en comunicación fluida con el exterior del reactor 1 mismo, a través de respectivos accesorios de descarga 15, todos dirigiéndose a un ducto colector anular 14 (fig. 1) o a respectivos ductos anulares 14 (fig.2), a su vez en comunicación fluida, a través del ducto 14a, con un ducto de descarga 13 , que se extiende a través de dicha tapa inferior 4. Gracias a la configuración descrita arriba se obtiene ventajosamente un reactor químico pseudo -isotérmico en el cual los intercambiadores de calor son capaces de operar en presencia de grandes diferencias de presión entre el interior y el exterior del intercambiador, manteniendo, dentro del reactor, las mismas dimensiones globales como en los intercambiadores de placas del estado de la técnica. Una ventaja adicional está dada por el hecho de que, con las mismas dimensiones globales con respecto a los intercambiadores del estado de la técnica, los intercambiadores de la presente invención ofrecen una más grandes superficie de intercambiado de calor, y permiten así un mayor intercambio de calor entre el flujo operante y el espacio de reacción. De acuerdo a una modalidad alternantivs adicional de la presente invención, representada en la Fig. 5, en cada intercambiador de calor 7 se proporciona un ducto 18 para un suministro adicional de fluido operante en al menos una posición intermedia predeterminada de la extensión del respectivo serpentín tubular. Dicho ducto 18 está asociado con el intercambiador de calor 7, preferentemente en una posición curva 9. Gracias a esta modalidad es posible controlar con mayor precisión la temperatura dentro de los intercambiadores de calor 7, consecuentemente permitiendo un control mejorado del calor intercambiado con el espacio de reacción 5 y así de la pseudo - isotermicidad de la reacción, obteniendo un rendimiento mejorado. De acuerdo con la modalidad alternativa, los intercambiadores de serpentín 7 de la presente invención pueden ser colocados en el espacio de reacción 5, con las respectivas porciones rectilíneas 8 extendiéndose paralelamente al diámetro de la coraza 2 y no radialmente como se describe y representa arriba (Figs. 6 y 7) . En tales figuras los detalles del reactor químico 1 que son estructuralmente y funcionalmente equivalentes a aquellas ilustradas en las figuras previas serán indicadas con los mismos números de referencias y ninguna será descrita adicionalmente. De conformidad a esta modalidad (Fig. 6) , los intercambiadores de calor 7 están acomodados en planos imaginarios paralelos equidistantes. Además (fig. 7) , las porciones curvilíneas pertinentes 9 son tangentes a las superficies cilindricas imaginarias 22, 23, 24, 25, 26, 27 teniendo el mismo radio que el radio interior de la coraza 2 y centros todos colocados en el mismo diámetro DI de la coraza 2.

Gracias a esta modalidad alternativa es posible el control efectivo de la pseudo - isotermicidad de una reacción química con una diferencia de presión elevada entre el interior y el exterior de los intercambiadores, usando intercambiadores de calor de serpentín 7 todos del mismo tamaño. La invención de este modo concebida puede soportar variantes y 'modificaciones adicionales las cuales están cubiertas por el alcance de protección de la invención misma. De acuerdo a una modalidad alternativa no representada de la presente invención, dichas porciones rectilíneas 8 de los intercambiadores de calor de serpentín 7 están orientados paralelas a la dirección del eje longitudinal Z-Z de la coraza 2. Esta configuración se usa generalmente cuando el reactor 1 es diseñado para ser cruzado radialmente por los reactivos, gracias a esta modalidad, ciertamente es posible asegurar, por el uso antes mencionado, la pseudo isotermicidad de la reacción a lo largo de la dirección cruzante del reactor por los reactantes .

De acuerdo a una modalidad alternativa no representada de la invención, el ducto distribuidor 11 y el ducto colector 14 están dispuestos en circunferencias concéntricas; de este modo los intercambiadores de calor 7, estando en comunicación con dichos ductos 11 y 14 a través de los accesorios suministradores 12 y de descarga 15, extendidas libremente y sin restricciones en la dirección opuesta con respecto a dichos ductos 11 y 14. Esto ventajosamente permite evitar sujetar a los ductos 11 y 14 a estrés mecánico cuando dicho intercambiador 7 experimente dilatación causada por temperaturas elevadas .

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Reactor químico pseudo - isotérmico (1) para reacciones químicas heterogéneas comprendiendo una coraza substancialmente cilindrica (2) teniendo ejes (Z - Z) , un espacio de reacción (5) definido en dicha coraza (2) y al menos una unidad intercambiadora de calor (6) , soportada en dicho espacio de reacción (5) y comprendiendo una pluralidad de intercambiadores de calor (7) , caracterizado en que al menos uno de dichos intercambiadores de (7) consiste de un serpentín obtenido de un solo elemento tubular y que tiene dimensiones globales aplanadas, substancialmente paralelepípedas .

2. Reactor químico de conformidad con reivindicación 1, caracterizado en que dicho intercambiador de calor (7) comprende una pluralidad de porciones rectilíneas paralelas tubulares (8) , conectadas de principio a fin por una pluralidad correspondiente de porciones curvilíneas (9) pertinentes.

3. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado en que dichas porciones rectilíneas tubulares (8) son de igual longitud y tienen ejes longitudinales coplanares .

4. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado en que dichas porciones curvilíneas (9) son semicirculares.

5. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado en que dichas porciones rectilíneas (8) de dichos intercambiadores de serpentín (7) se extienden radialmente en dicho espacio de reacción (5) .

6. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado en que dichas porciones rectilíneas (8) de dichos intercambiadores de serpentín (7) se extienden en dicho espacio de reacción (5) substancialmente paralelo al ejes (Z-Z) de la coraza (2) .

7. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado en que dicha unidad intercambiadora de calor comprende una pluralidad de dichos intercambiadores de calor de serpentín (7) tiene una configuración substancialmente cilindrica, coaxial y concéntrica a dicha zona de reacción (5) , en el cuál ésta esta soportada, en dicha unidad intercambiadora de calor (6) estando los intercambiadores de calor de serpentín (7) dispuestos radialmente.

8. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado en que en dicha unidad intercambiadora de calor (6) , los intercambiadores de calor de serpentín (7) están colocados radialmente en varios arreglos coaxiales y concéntricos.

9. Reactor químico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado en que, al menos uno de dichos intercambiadores de calor de serpentín (7) comprende un ducto adicional (18) suministrando flujo intercambiador de calor operante, asociado con el intercambiador mismo en una posición intermedia predeterminada del serpentín respectivo.

10. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado en que dichas porciones rectilíneas (8) de dichos intereambiadores de serpentín (7) se extienden paralelos a un diámetro de la coraza (2) .

11. Reactor químico de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado en que dichos intercambiadores de serpentín (7) están dispuestos en planos paralelos equidistantes imaginarios.

12. Reactor químico de conformidad 11, caracterizado en que dichas porciones curvilíneas pertinentes (9) son tangentes a superficies cilindricas imaginarias (22, 23, 24, 25, 26, 27) teniendo un radio igual al radio interior de la coraza (2) y centros todos colocados en el mismo diámetro (DI) de la coraza (2) .