PT1333917E - Processo e aparelho utilizando arranjo de placa para aquecimento e pré-aquecimento de reagentes - Google Patents

Processo e aparelho utilizando arranjo de placa para aquecimento e pré-aquecimento de reagentes Download PDF

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PT1333917E
PT1333917E PT00973901T PT00973901T PT1333917E PT 1333917 E PT1333917 E PT 1333917E PT 00973901 T PT00973901 T PT 00973901T PT 00973901 T PT00973901 T PT 00973901T PT 1333917 E PT1333917 E PT 1333917E
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reaction
catalyst
stream
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Robert C Mulvaney
Hemant W Dandekar
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Uop Llc
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Description

ΕΡ 1 333 917/ΡΤ
DESCRIÇÃO "Processo e aparelho utilizando arranjo de placa para aquecimento e pré-aquecimento de reagentes"
Campo técnico
Este invento refere-se geralmente a permutadores do tipo por placa para transferência indirecta de calor e para o aquecimento de reagentes para controlar condições de temperatura num processo de reacção.
Antecedentes do invento
Em muitas indústrias, como as indústrias petroquímica e química, o contacto de fluidos de reacção com um catalisador num reactor em condições de temperatura e pressão adequadas provoca uma reacção entre os componentes de um ou mais reagentes nos fluidos. A maioria destas reacções gera ou absorve calor a vários níveis e é, assim, exotérmica ou endotérmica. Os efeitos de aquecimento ou arrefecimento associados a reacções exotérmicas ou endotérmicas podem afectar positivamente ou negativamente a operação da zona de reacção. Os efeitos negativos podem incluir, entre outros: produção pobre de produtos, desactivação do catalisador, produção de produtos secundários indesejados e, em casos extremos, danos no vaso de reacção e tubagem associada. Mais tipicamente, os efeitos indesejados associados com mudanças de temperatura irão reduzir a selectividade ou rendimento de produtos da zona de reacção.
Muitos arranjos procuram ultrapassar os efeitos negativos do arrefecimento endotérmico fornecendo calor à reacção. Os processos mais tradicionais utilizam patamares múltiplos de aquecimento entre patamares de reacção. Outros processos utilizam aquecimento in-situ através de reacções simultâneas ou transferência indirecta de calor, para manter um perfil de temperatura isotérmico, ou outro, dentro da zona de reacção. A patente US-A-5,525,311 revela um exemplo de transferência indirecta de calor com um fluido de transferência de calor para controlar o perfil de temperatura dentro da zona de uma reacção. 2 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ
Uma variedade de processos pode utilizar transferência indirecta de calor com uma zona de reacção para controlar perfis de temperatura dentro da zona de reacção. Exemplos comuns de reacções de conversão de hidrocarbonetos incluem: aromatização de hidrocarbonetos, reformação de hidrocarbonetos, desidrogenação de hidrocarbonetos, e alquilação de hidrocarbonetos.
Outros exemplos são processos para a produção de óxidos de hidrogénio e de carbono pela reformação de metano na presença de vapor ou óxidos de carbono. 0 processo de reformação por vapor é particularmente bem conhecido, e envolve a passagem de uma mistura de matéria-prima principal e vapor por um catalisador de reformação por vapor. Catalisadores de reformação por vapor típicos compreendem niquel e podem incluir cobalto em suportes refractários, tais como alfa alumina ou aluminato de cálcio. A natureza endotérmica forte da reacção de reformação primária por vapor necessita de um fornecimento de calor para manter a reacção. Os que têm prática no processo equilibram constantemente as necessidades de calor endotérmico da reformação primária com uma oxidação parcial de hidrocarbonetos, para proporcionar uma reacção de reformação secundária que fornece calor para o patamar de reformação primária e gera gás de síntese adicional. A operação de um reformador adiabático para a produção de gás de síntese está ilustrada na patente US-A 4,985,231. A patente US-A 5,300,272 descreve ainda outro arranjo básico que utiliza uma reacção de reformação secundária para fornecer gás quente para aquecimento da reacção de reformação primária. As patentes US-A 4,810,472, 4,750,986, e 4,822,521 revelam arranjos específicos de reactores de transferência de calor que transferem calor indirectamente entre gases quentes do patamar de reformação secundária e o patamar de reformação primária. A patente US-A 4,127,389 ilustra uma variedade de concepções de câmaras de tubos para fornecer calor a uma reacção de reformação primária a partir de uma zona de reacção de reformação secundária. Como foi definido pelas patentes referidas acima, a técnica assenta actualmente exclusivamente em arranjos de tubos e, mais vulgarmente, a técnica assenta em tubos de paredes duplas referidos como "tubos de baioneta" para transferência de calor entre as zonas de reformação primária 3 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ e secundária. A geometria de reactores tubulares apresenta restrições de arranjo que exigem reactores grandes e superfícies de tubos vastas para obter as elevadas eficiências desejadas de transferência de calor.
Outras aplicações de processos obtêm transferência indirecta de calor com placas finas que definem canais. Os canais conservam alternativamente catalisadores e reagentes num conjunto de canais e um fluido de transferência de calor em canais adjacentes para aqueceram ou arrefecerem indirectamente os reagentes e catalisadores. Um arranjo especifico para transferência de calor e canais reagentes que oferece um controlo de temperatura mais completo pode ser outra vez encontrado na patente US-A-5,525,311. Outros arranjos úteis de placas para transferência indirecta de calor estão descritos nas patentes US-A-5,130,106 e US-A-5,405,586.
Apesar de ser conhecido de patentes, tais como a patente US-A 4,714,593, a combustão directa de combustível para o aquecimento indirecto de uma zona de reacção, pré-aquecimento de alimentação, é normalmente feito ainda fora da zona de reacção. Arranjos típicos de processos que proporcionam aquecimento in-situ para controlar temperaturas utilizam também uma forma de aquecimento de carga. O aquecimento de carga leva a alimentação de entrada até à temperatura de reacção inicial antes desta entrar na zona de reacção. O aquecedor de carga adiciona custo e complexidade ao sistema.
Breve resumo do invento
Foi agora descoberto que uma modificação no processo e aparelho para aquecimento indirecto de reagentes na zona de reacção pode eliminar a necessidade de um aquecedor de carga. Um processo que utiliza uma pluralidade de placas que definem canais estreitos para aquecimento de reagentes num catalisador que contém zona de reacção pode prolongar os canais para incluir uma secção a montante que pré-aquece a alimentação. A secção de aquecimento a montante não contém catalisador. A zona de pré-aquecimento aumenta a temperatura dos reagentes até à temperatura de reacção inicial desejada antes de pôr a alimentação em contacto com o catalisador na 4 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ secção de reacção dos canais. O fluido para aquecimento da secção de reacção pode ser qualquer fluido de transferência de calor que entre nos canais de aquecimento em condições adequadas para proporcionar a temperatura e calor necessários a ambas as porções de pré-aquecimento e catalítica dos canais de reacção. Pelo contrário, o fluido de transferência de calor pode ser uma corrente de combustível que sofre combustão dentro dos canais de aquecimento. 0 metano proporciona um fluido de aquecimento particularmente útil. Em alguns casos o fluido de aquecimento pode compreender a alimentação ou os componentes de reacção dos canais de reacção. No geral, o invento conserva calor eliminando a necessidade de um aquecedor separado no processo e removendo as perdas de calor associadas com este. Deste modo, o invento obtém uma utilização altamente eficiente da reacção de placa e canal e configuração de aquecimento.
Um objectivo do invento consiste por isso em melhorar a eficiência no aquecimento de reagentes num processo que utiliza transferência indirecta de calor in-situ.
Outro objectivo do invento consiste em reduzir necessidades de equipamento no aquecimento de reagentes. A presença de canais de aquecimento estreitos para conter funções de reacção e aquecimento constitui uma necessidade essencial deste invento. Os canais de aquecimento e reacção podem ter muitas configurações diferentes adequadas ao processo particular e ao fluido de aquecimento. A porção de pré-aquecimento do canal de reacção pode compreender uma porção ao longo de um troço continuo de canal ou um troço separado de canal pode proporcionar a porção de pré-aquecimento e fornecer os reagentes aquecidos a um canal de reacção independente. Em canais que se prolongam verticalmente, pouca carga de catalisadores nos canais de reacção pode proporcionar um espaço acima ou abaixo da secção de reformação primária na qual se pré-aquece a alimentação.
Os canais de aquecimento e canais de reacção podem transportar fluidos num escoamento cruzado, co-corrente, ou contracorrente. 0 escoamento contracorrente irá proporcionar a maior entrada de calor na porção de reacção dos canais de EP 1 333 917/PT 5 reacção, e 0 escoamento co-corrente irá maximizar 0 aquecimento na porção de pré-aquecimento dos canais de reacção. Os canais de aquecimento podem conter catalisadores promotores de combustão para acelerar a combustão do combustível. A combustão do combustível é realizada nos canais de aquecimento, a carga do catalisador de combustão pode ser variada nos canais de aquecimento para responder às exigências de aquecimento do escoamento de entrada e da zona de reacção. Controlando a taxa de combustão de um combustível utilizando catalizadores em canais que aquecem indirectamente uma zona de reacção por transferência de calor através de uma superfície de transferência de calor podem moderar temperaturas melhorando assim a conversão, selectividade ou ambas. A moderação da temperatura pela variação da taxa de combustão do combustível pode também reduzir a desactivação de catalisador na zona de reacção. Vários processos diferentes podem variar a taxa à qual o catalisador de combustão promove a combustão do combustível nos canais de aquecimento. A operação pode variar condições de processos, tais como velocidade de permanência tempo / espaço. A concentração de reagentes de combustível pode também variar pela introdução de combustível ou diluentes adicionais. Outro processo de variação pode aumentar a quantidade de catalisador presente nos canais de aquecimento. O aumento ou diminuição da carga de material activo cataliticamente numa base catalisadora ao longo do troço dos canais de aquecimento irá variar a taxa de combustão. Para além de mudar o catalisador ao longo de uma mudança em carga de metais, o tipo de catalisador pode também variar ao longo do troço dos canais de aquecimento. Para além disso, o processo deste invento pode simplesmente mudar a quantidade de um catalisador uniforme, variando o volume de catalisador por unidade de troço de escoamento ao longo dos canais. Utilizando um perfil de actividade de catalisador adequado nos canais de aquecimento, pode ser imposto um perfil de temperatura que maximiza a conversão nos canais onde ocorre a conversão de alimentação. De um ponto de vista mecânico, o aumento ou diminuição inerentes da largura de sector de um reactor de escoamento radial proporciona meios imediatos de variação de volume do catalisador por unidade de troço de 6 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ escoamento ao longo dos canais de aquecimento. A patente US-A-5,405,586 ilustra um arranjo de reactor de escoamento radial com transferência indirecta de calor que pode ser modificado de acordo com este invento para incluir a variação na combustão de um combustível.
Arranjos de placas podem também variar a carga do catalisador nos canais de aquecimento. As placas podem ocupar uma porção dos canais para reduzir a carga do catalisador em apenas uma porção dos canais de transferência de calor. Uma placa espessa pode prolongar-se através de uma porção dos canais de aquecimento e deslocar solidamente o catalisador de uma porção do canal de transferência de calor. Pares de placas sólidas podem-se prolongar-se ao longo de uma porção dos canais de transferência de calor para definir volumes de vazio de sub-canais. Tais sub-canais centrais podem criar camadas finas de catalisador no exterior dos canais de aquecimento onde é desejado menos combustão. 0 uso de placas perfuradas pode proporcionar um processo particularmente vantajoso para alterar a carga catalisadora nos canais de aquecimento. A dimensão das perfurações pode bloquear a entrada do catalisador numa sub-porção de canal definida pelas placas perfuradas nos canais de aquecimento, permitindo ainda o escoamento de gás através destes. Alternativamente, as placas perfuradas podem prolongar-se ao longo de todo o comprimento dos canais de aquecimento, mas com dimensões de perfuração variadas. Em canais orientados verticalmente, perfurações pequenas numa porção superior da placa podem evitar que partículas entrem no espaço superior entre as placas, enquanto perfurações maiores numa porção inferior das placas passam o catalisador para uma área inferior do sub-canal para aumentar o volume relativo do catalisador de catalisador por unidade de comprimento do canal. A utilização de placas perfuradas, deste modo, pode facilitar muito a carga e saída do catalisador de combustão e ainda permitir alteração na corrente da carga de catalisador de combustão variada.
As câmaras de distribuição ao longo dos percursos dos canais podem proporcionar locais para injecção intermédia de reagentes ou meios de aquecimento. Podem ser proporcionadas câmaras de distribuição nas extremidades de canais, ou ao 7 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ longo dos pontos médios, como é desejado. Um arranjo de tais tubos de distribuição utiliza duas ou mais pilhas separadas de placas de transferência de calor ou "pilhas de reacção" para conduzir reacções diferentes e passos de troca de calor em conjuntos isolados. Por exemplo, uma arranjo de canais estreitos alternantes numa pilha de reacção pode conter catalisador para os canais de aquecimento apenas, enquanto uma pilha de reacção a jusante contém catalisador em ambos os canais de reacção e aquecimento. Um sistema de colectores passa a alimentação pré-aquecida isolada e o efluente do fluido de aquecimento para outra secção de canais de aquecimento e canais de reacção que põem mais uma vez em contacto indirecto o fluido de aquecimento com os reagentes. A integração dos colectores com os tubos externos pode ainda aumentar o controlo de processos pela adição ou remoção intermédia de fluido de aquecimento ou reagentes. 0 arranjo adequado de placas pode utilizar placas relativamente lisas com espaçadores intermédios colocados intermitentemente entre as placas, para preservar o espaço do canal e para provocar turbulência para promover transferência de calor. Um arranjo em espiral enrolada de canais com espaçamento estreito pode proporcionar um elevado grau de contacto e transferência de calor. Uma forma preferida dos elementos de transferência de calor compreende placas relativamente achatadas tendo ondulações definidas entre elas. As ondulações servem para manter o espaçamento entre as placas, suportando também as placas para proporcionar um sistema bem suportado de canais estreitos. Detalhes adicionais no arranjo de tais sistemas de placas estão mais uma vez ilustrados na patente US-A-5,525,311.
Os arranjos adequados de placas podem também incorporar placas perfuradas. A maioria de placas perfuradas vantajosas permitiria que as quantidades controladas de reagentes se escoassem directamente dos canais da zona de reformação primária como alimentação para os canais da zona de reformação secundária. Placas perfuradas dispersariam a introdução de reagentes ao longo de uma porção desejada dos canais de aquecimento secundário. Aqueles com experiência no processo irão reconhecer outras variações em configurações de 8 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ placas que podem proporcionar benefícios adicionais à integração dos canais de aquecimento e reacção.
Assim, numa concretização, este invento é um processo para contacto de reagentes com um catalisador numa zona de reacção e para aquecimento indirecto dos reagentes por contacto com um meio de aquecimento, (a) 0 processo passa uma corrente de reagentes através de uma pluralidade de canais de reacção estreitos definidos por placas principais espaçadas e aquece a corrente de reagentes na ausência de catalisador numa primeira porção dos canais de reacção estreitos, (b) 0 processo passa também um meio de aquecimento através de uma pluralidade de canais de aquecimento estreitos definidos pelas placas principais e aquece indirectamente a corrente de reagentes na primeira porção dos canais de reacção através das placas com o meio de aquecimento numa porção de pré-aquecimento dos canais de aquecimento, para proporcionar uma corrente de reagentes aquecida nos canais de reacção. (c) A corrente de reagentes aquecida passa através de uma segunda porção dos canais de reacção e põe em contacto a corrente de reagentes aquecida com um catalisador na segunda porção dos canais de reacção para produzir uma corrente de reagidos, enquanto (d) aquece indirectamente a segunda porção dos canais de reacção com o meio de aquecimento, à medida que este passa através de uma porção de aquecimento primário dos canais de aquecimento, (e) Numa forma mais limitada desta concretização, o metano entra nos canais de aquecimento e sofre oxidação para proporcionar o fluido de aquecimento. Preferencialmente, o metano entra em contacto com um catalisador de combustão ou catalisador de oxidação nos canais de aquecimento.
Noutra concretização, este invento compreende um aparelho para contacto dos reagentes com um catalisador numa zona de reacção aquecendo indirectamente os reagentes por contacto com gases de combustão formados numa zona de produção de calor. 0 aparelho inclui uma pluralidade de canais de reacção alternados e canais de aquecimento definidos por uma pluralidade de placas primárias para ter uma entrada de reagentes numa extremidade dos canais de reacção, uma saída de reagentes numa extremidade oposta dos canais de reacção, uma entrada de fluidos de aquecimento numa 9
ΕΡ 1 333 917/PT extremidade dos canais de aquecimento e uma saida de fluidos de aquecimento na extremidade oposta dos canais de aquecimento. Os canais de reacção incluem meios para exclusão de um catalisador sólido de uma porção de pré-aquecimento dos canais de reacção que estão localizados a jusante da entrada de reagentes e para reter um catalisador sólido numa porção catalítica dos canais de reacção localizados a jusante da porção de pré-aquecimento. 0 aparelho pode incluir meios para fornecimento de corrente de reagentes à entrada de reagentes e para retirada de uma corrente de reagentes da saida de reagentes, e meios para fornecimento de um fluido de aquecimento à entrada de fluido de aquecimento e retirada de um fluido de aquecimento da saida de fluido de aquecimento. Uma porção da corrente de reagidos é passada aos canais de aquecimento estreitos. Noutra forma desta concretização, os canais de aquecimento podem definir uma zona de combustão e reter um catalisador de promoção da combustão. Preferencialmente, o catalisador retido compreende um catalisador de oxidação, e uma conduta de oxigénio fornece oxigénio aos canais de aquecimento. 0 meio de aquecimento pode ser fornecido por uma corrente separada, uma porção da corrente de reagidos ou uma porção da corrente de reagentes. Por exemplo, no caso de isomerização de parafina, existe frequentemente a necessidade de saturar benzeno, o benzeno que acompanha em rotina a alimentação de parafina. 0 calor gerado pela saturação do benzeno pode aquecimento indirecto da zona de reacção de isomerização enquanto pré-aquece também a alimentação que entra na zona de isomerização. Num tal processo, uma corrente de alimentação compreendendo hidrocarbonetos parafinicos C4 a C6 e, tipicamente, pelo menos 2 mol% de benzeno passam a uma zona de saturação de benzeno compreendendo canais de saturação. A transferência indirecta de calor, através da pluralidade de placas afastadas com um fluido de arrefecimento nos canais de transferência de calor, arrefece o efluente de saturação da zona de reacção. Pelo menos uma porção do efluente pelo menos parcialmente saturado passa para uma zona de isomerização como uma alimentação de isomerização que isomeriza a alimentação de isomerização na zona de isomerização por contacto com um catalisador de isomerização para produzir um efluente de isomerização. Pelo 10 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ menos uma das correntes de alimentação, alimentação combinada, alimentação de isomerização ou efluente da zona de isomerização passa através dos canais de transferência de calor como fluido de arrefecimento.
Breve descrição dos desenhos A FIG. 1 é um diagrama esquemático de escoamento de uma zona de reacção, zona de aquecimento, permutador de calor, e arranjo de aquecedor de carga de acordo com a técnica anterior. A FIG. 2 é uma modificação do arranjo da técnica anterior pela adição de uma zona de pré-aquecimento e eliminação do aquecedor de carga. A FIG. 3 é um diagrama esquemático de um permutador de canal de placa vertical que incorpora um arranjo deste invento. A FIG. 4 é um corte do reactor de transferência de calor esquemático ilustrado na FIG. 3 ao longo da secção 4-4. A FIG. 5 é um corte do reactor de transferência de calor esquemático ilustrado na FIG. 3 ao longo da secção 5-5. A FIG. 6 é um corte horizontal do reactor de transferência de calor esquemático ilustrado na FIG. 3 ao longo da secção 6-6. A FIG. 7 é um desenho esquemático de um elemento de placa achatado ilustrando um padrão de ondulação. A FIG. 8 é uma vista isométrica de placas onduladas que formam canais de escoamento.
As FIGS. 9 e 10 são diagramas esquemáticos ilustrando um arranjo de escoamento alternado para canais de reacção e aquecimento de acordo com este invento.
As FIGS. 11 e 12 são diagramas que mostram a colocação de zonas de aquecimento e reacção em canais. 11 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ
Descrição detalhada do invento
Na FIG. 1, uma corrente de processo entra no arranjo do processo através da linha 10 e passa através de um permutador de calor 12 que recupera calor de uma corrente efluente de uma zona de reacção 14. Uma alimentação do permutador 12 parcialmente aquecida passa para um aquecedor de carga 16 através de uma linha 18. Uma linha 17 adiciona combustível ao aquecedor de carga 16. Uma linha 20 transporta a corrente de entrada aquecida para contacto com um catalisador numa zona de reacção 22 para uma reacção endotérmica para produzir a corrente de efluente 14 que sai do processo a jusante do permutador de calor 12 através de uma linha 24. A zona de reacção 22 transfere calor através de uma placa de transferência de calor 26 com uma zona de aquecimento 28. A linha 30 passa um meio de aquecimento para a zona de aquecimento 28. Após a transferência de calor na zona 28, a linha 32 retira o meio de aquecimento arrefecido.
Numa forma preferida do invento, o meio de aquecimento compreende uma corrente de combustível para combustão na zona de aquecimento 28. A linha 34 recicla uma porção do meio de aquecimento de volta para a entrada da zona de aquecimento através de uma linha 34. Combustível novo entra no ciclo do meio de aquecimento através da linha 36, enquanto a linha 38 purga os componentes de combustível gasto. O meio de aquecimento pode compreender metano e ar ou qualquer outro combustível de combustão adequado. A zona de aquecimento 28 pode também conter um catalisador de combustão. A FIG. 2 modifica o arranjo da técnica anterior da FIG. 1 através da adição de uma zona de pré-aquecimento 40 e eliminando o aquecedor de carga 16. Assim, a corrente de entrada entra outra vez no processo através da linha 10 e sofre transferência de calor com a corrente efluente de saída 14 no permutador 12. A linha 18' transporta a alimentação parcialmente aquecida até à secção pré-aquecida 40 da zona de reacção 41. A secção de pré-aquecimento 40 não contém catalisador e serve para aquecimento do restante da alimentação até à temperatura desejada para a reacção que ocorre numa secção de reacção catalítica 42 da zona de reacção 41. Após a transferência de calor, a corrente de 12 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ produto abandona ο processo através da linha 24. No lado do aquecimento, um fluido de aquecimento 30 passa outra vez através da zona de aquecimento 28' e abandona a zona de aquecimento através da linha 32. As linhas 36, 34 e 38 podem proporcionar, outra vez, adição, recirculação, e purga quando o fluido de aquecimento compreende uma corrente de combustível. A zona de aquecimento 287 aquece a secção de pré-aquecimento 40 e a secção de reacção catalítica 42 da zona de reacção 41 através de uma placa de transferência de calor 26'. A quantidade de aquecimento necessário na zona de pré-aquecimento 40, bem como a capacidade de temperatura e de calor do fluido de aquecimento, irão determinar o comprimento relativo da zona de pré-aquecimento 40 e a quantidade de área de superfície proporcionada por uma secção de pré-aquecimento 43 da placa 26'. Onde os reagentes ou produtos da zona de reacção 41 proporcionam combustível à zona de aquecimento, o combustível pode ser desviado da linha 10 ou 14 para a zona de aquecimento 28'. O combustível pode também ser injectado directamente da zona de reacção 41 para a zona de aquecimento através da placa 26'. Uma queda de pressão suficiente da zona da reacção para a zona de aquecimento pode permitir a utilização de uma placa perfurada e evitar o retorno do fluido da zona de aquecimento para a zona de reacção. Perfurações dimensionadas de modo a controlar o escoamento podem ser proporcionadas através da placa de transferência de calor na porção de pré-aquecimento 43, secção de reacção catalítica 42, ou ambas.
Este invento pode ser útil para qualquer processo endotérmico que utilize um meio de aquecimento para pré-aquecimento da corrente de reagentes até à temperatura de reacção desejada e utilize o meio de aquecimento para manter a temperatura da corrente de reagentes após. Processos particularmente adequados para utilização por este invento são aqueles onde os reagentes sofrem aquecimento por combustão de um combustível. Este invento pode ser particularmente útil em processos auto térmicos onde a conversão de um reagente ou uma porção de uma corrente de reagidos endotermicamente proporciona combustível para uma reacção exotérmica que aquece a reacção endotérmica. 13 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ
Exigências adicionais deste processo para compatibilidade com um arranjo de permutador de placa irão exigirão, tipicamente, que exista uma ΔΤ relativamente baixo entre as zonas de reacção exotérmicas e endotérmicas juntamente com ο ΔΡ relativamente baixo através das secções da placa. Diferenças de temperaturas de 200°C ou menos são preferidas para este invento. Diferenças de pressão não excederão, de preferência, os 0,7 Mpa.
Muitas reacções para a produção de hidrocarbonetos e produtos quimicos vão de encontro a estas exigências. Exemplos de processos autotérmicos incluem a produção de gás de síntese a partir de amónia bruta, produção de correntes de hidrogénio bruto, e a produção de gás de síntese para conversão em compostos orgânicos.
Olhando especificamente à produção de gás de síntese bruto como um exemplo, tal processo inclui geralmente um passo primário de reformação de uma matéria prima principal de hidrocarbonetos através de uma corrente para dar um gás que contém óxidos de carbono, hidrogénio, metano, e corrente de não reagidos. Na produção de gás de síntese, um hidrocarboneto fluido, tal como gás natural, é convertido numa mistura de gás reformado quente que contém principalmente hidrogénio e monóxido de carbono de acordo com a reacção (1). (1) CH4 + H20 « CO + 3H2 que é geralmente conhecida como reformação primária, e é muito utilizada na produção de gás de síntese ou hidrogénio puro. Esta reacção endotérmica é levada a cabo, na prática deste invento, pela passagem de uma mistura gasosa de hidrocarboneto fluido e vapor através de uma secção pré-aquecida de um canal de reacção que não tem catalisador, e depois através de uma secção que contém catalisador do canal de reacção. Uma composição adequada de catalisador preenche a secção catalítica dos canais de reacção. O calor necessário é fornecido aos canais de reacção por uma reacção de reformação secundária que oxida um combustível de hidrocarboneto fluido. O combustível de hidrocarboneto 14 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ fluido pode compreender uma corrente lateral da corrente de entrada de hidrocarboneto fluido ou uma porção da corrente efluente de reformação primária. A reacção de oxidação fornece o calor ao reformador primário por transferência indirecta de calor através de placas de transferência de calor. As reacções seguintes ocorrem nos canais de aquecimento que contêm a zona de reformação secundária: (2) 2CO + 02 - 2C02 (3) 2CH4 + 02 - 4H2 + 2C0, e (4) 2H2 + 02 -> 2H20
As reacções (2), (3), e (4) são reacções exotérmicas que têm tendência a ocorrer muito rapidamente no espaço da reacção secundária. Enquanto a mistura de gás resultante passa através da base catalisadora da zona de reformação secundária, o metano restante é convertido por reacção com vapor de acordo com a reacção (1) acima e pela reacção com oxigénio de acordo com a reacção (2) acima, de modo que muito pouco metano permanece no gás de produto do processo. A reacção fortemente endotérmica (1) é uma reacção relativamente lenta que ocorre ao longo da passagem dos gases através da base catalisadora da zona de reformação secundária, arrefecendo assim os gases das altas temperaturas obtidas pelas reacções (2), (3) e (4) que ocorrem em direcção à extremidade da alimentação da zona de reacção secundária. Na prática do invento, as proporções de oxigénio e da alimentação de hidrocarboneto fluido passado aos reformadores integrados primário-secundário mantém um processo essencialmente, ou completamente, auto térmico, sem exigências de combustível externo. Uma característica vantajosa do invento é a flexibilidade de ser capaz de desviar uma porção da corrente de entrada de hidrocarbonetos directamente para o espaço da reacção de reformação secundária na extremidade de alimentação da zona de reformação secundária.
Temperaturas de operação típicas para a produção de um gás de síntese bruto vão de 420 a 950°. As pressões de operação específicas utilizadas são principalmente influenciadas pelas exigências de pressão das operações de processamento subsequentes nas quais a mistura de gás 15 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ reformado é utilizada. Qualquer super pressão atmosférica pode ser utilizada na prática da maioria das operações de reformação e é adequada para a maioria das aplicações do aparelho e processo deste invento. As pressões de operação do processo estão, geralmente, num intervalo de 2 a 10 Mpa. Na produção de gás de síntese para a produção de amónia, o efluente do passo de reformação primária reage cataliticamente com uma mistura que contém oxigénio e nitrogénio, tipicamente ar, para converter porções adicionais de metano e introduzir nitrogénio na corrente de produto. Após a reacção de desvio e remoção de C02, o gás de síntese de amónia bruta terá uma taxa relação desejável de hidrogénio/nitrogénio de aproximadamente 2,5 a 3,0. A corrente de reagentes entra em contacto com um catalisador em cada um dos canais de reacção. Catalisadores particulares utilizados em reformação por vapor são bem conhecidos. A zona de reformação secundária contém, geralmente, uma base de material catalisador semelhante. Como alternativa a um catalisador em particular, o catalisador pode também ser revestido na superfície das placas nas várias zonas de reformação. Pode ser particularmente vantajoso revestir o catalisador de reformação primário nas placas para proporcionar uma secção catalítica superior e uma secção inferior sem catalisador que é mantida em relações de transferência de calor com uma secção catalítica de reformação secundária através das placas que definem os canais.
Observando então para a FIG. 3, para um arranjo de escoamento deste invento, uma alimentação de gás de síntese que compreende gás natural e vapor numa relação de vapor / metano de 1,5 a 4, entra no processo através da linha 11 e sofre transferência de calor num permutador de calor convencional 13 com uma corrente de produto de gás de síntese feita por uma linha 15. A corrente de entrada pré-aquecida passa através da linha 17 para um colector principal de distribuição 19. 0 colector principal de distribuição 19 proporciona a alimentação aquecida a espaços de distribuição 21 num reactor de transferência de calor 23. Como está ainda ilustrado na FIG. 4, o espaço de distribuição 21 distribui o gás de síntese aquecido a uma pluralidade de canais de 16 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ reacção de reformação primária 29 pelas placas 44. Canais de reacção mantêm um catalisador de reformação em porções superiores 29' e uma zona de pré-aquecimento sem catalisador em porções inferiores 29''. As porções médias 21' dos canais de reacção 29 estão abertas ao escoamento de gás, mas têm um material peneirado adequado, localizado através das mesmas, para evitar que o catalisador caia das porções de canal superiores 29'. Os reagentes de reformação aquecidos passam através dos canais 29. 0 espaço de recolha 25 recolhe o efluente da zona de reformação primária através dos topos abertos 21' dos canais 29. Como está ilustrado na FIG. 3, um colector de distribuição 31 recolhe o efluente de reformação primária de espaços de recolha 25 e transfere o efluente, menos qualquer quantidade retirada pela linha 15', através da uma linha 33 para a zona de reformação secundária. A linha 15' passa ao lado do efluente da zona de reformação primária directamente para o produto da linha 15. A linha 33 passa o efluente primário a um colector de distribuição 35 que distribui os gases quentes a espaços de distribuição 47. Uma porção da alimentação do gás natural pode passar ao lado dos canais de reacção 29 através da linha 33' e entrar directamente na zona de reformação secundária. A linha 34' proporciona oxigénio ou ar para combustão e pode também proporcionar combustível adicional à zona de reacção secundária se for necessário. Alguma reacção inicial do efluente de reacção primária pode ter lugar no colector de distribuição 35 e no espaço de distribuição 47. Deve combinar-se O2 com 0 escoamento de entrada ou com o efluente do reactor primário de modo a evitar a presença de oxigénio e outros combustíveis em geral, ou proporções localizadas que estejam dentro dos intervalos potenciais de explosão. As precauções podem incluir a utilização de elementos de mistura bem como uma concepção de colector principal especializado de modo a manter as proporções seguras das misturas. Concepções adequadas de colectores principais podem incluir enchimento ou outro material de deslocamento de volume para minimizar o volume de oxigénio e mistura de combustível a montante da reacção de reformação secundária.
Como está ainda ilustrado na FIG. 5, que representa a secção 5-5 da FIG. 3, os espaços de distribuição 47 17 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ distribuem ο gás quente às admissões 37 dos canais de aquecimento 49. Contrariamente ao espaço de distribuição 21, o espaço de distribuição 47 tem as bases dos canais de reacção 29 fechadas ao escoamento de gás e do catalisador de modo a evitar a entrada do escoamento do efluente de reformação secundária. A reacção de reformação secundária principal irá ter lugar em contacto com o catalisador contido nos canais de aquecimento. 0 contacto com um catalisador de reformação secundária adequado nos canais de aquecimento produz directamente calor para aquecimento indirecto dos reagentes na zona de reformação primária contida nos canais de reacção. À medida que os gases quentes passam para cima através dos canais de aquecimento 49, a grande área de superfície proporcionada pelas placas 44 que definem os canais de reacção e aquecimento, transferem calor eficientemente para os canais de reacção 29. 0 espaço de recolha 45 recolhe o gás de reformação secundária arrefecido das saidas abertas 46 dos canais de aquecimento 49. Como está mais uma vez ilustrado na FIG. 3, um colector de distribuição 48 junta o efluente de reformação secundária recolhido e transfere-o para a linha de produto 15 para recuperação a jusante do permutador 13 através da linha 50. O arranjo dos espaços de recolha 25 e 45, para recolher selectivamente o efluente de reformação primária e o efluente de reformação secundária, será melhor entendido a partir da FIG. 6. Como está ilustrado na FIG. 6, essas porções de canais de reacção 29, que coincidem com o espaço de recolha 25, mantêm as saidas 21' abertas para que ai haja comunicação livre. Pelo contrário, essas porções de canais de aquecimento 49, que coincidem com o espaço de recolha 25, têm um fecho 28' que evita comunicação de fluidos com o espaço de recolha 25. O espaço de recolha 45 tem a relação inversa com os canais 29 e 45 onde porções coincidentes de canais 49 comunicam abertamente através das saidas 46, enquanto porções coincidentes de canais 29 são impedidas de comunicar com o espaço de recolha 45 através de fechos 47. Espaços de distribuição 21 e 47 têm um arranjo semelhante para estabelecer e restringir comunicação de fluidos com os canais desejados. A FIG. 6 ilustra também as partições 51 que 18 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ segregam internamente os espaços de recolha 24 dos espaços de recolha 45.
Placas adequadas para este invento compreenderão quaisquer placas que permitam uma alta taxa de transferência de calor. São preferidas placas finas, tendo geralmente uma espessura de 1 a 2 mm. As placas são compostas tipicamente por ligas ferrosas ou não-ferrosas, tal como aço inoxidável. As ligas preferidas para as placas suportarão temperaturas extremas e contêm proporções elevadas de níquel e crómio. As placas podem ser formadas em curvas ou outras configurações, mas as placas achatadas são preferidas, geralmente, para sobreposição. As placas podem ser achatadas com entalhes aí formados para proporcionar canais. Mais uma vez, cada placa pode ser lisa e elementos adicionais, tais como espaçadores de linguetas perfuradas, podem proporcionar turbulência de fluidos nos canais. Preferencialmente, cada placa tem ondulações que estão inclinadas em direcção ao escoamento dos reagentes e do fluido de transferência de calor. A FIG. 7 ilustra o arranjo preferido de ondulação onde as placas 44, que dividem a porção central do reactor de transferência de calor 23 em canais de aquecimento e canais de reacção, são formadas por placas 49', tendo um arranjo de ondulação como está ilustrado na FIG. 7. 0 padrão de ondulação pode ter, pelo menos, duas funções. Para além de suportar estruturalmente placas adjacentes, as ondulações promovem turbulência para o aumento de eficiência de transferência de calor no canal de reacção estreito. A FIG. 7 mostra ondulações definidas por cristãs 52 e cavados 54. A frequência ou passo das ondulações pode ser variada, dependendo do pretendido, para promover qualquer grau variado de turbulência. Assim, ondulações mais superficiais, como está ilustrado pelas cristãs 52 e cavados 54, irão produzir menos turbulência, enquanto passos maiores de ondulação, como está ilustrado pelas cristãs 56 e cavados 58, pode proporcionar maior turbulência onde for desejado. 0 passo das ondulações e a frequência podem também ser variados ao longo de um único canal de transferência de calor para variar o factor de transferência de calor em diferentes porções do canal. Os canais podem conter uma porção achatada 60 à volta 19 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ da sua periferia para facilitar o fecho dos canais em redor dos lados e topos onde é desejado. A FIG. 8 ilustra um corte transversal tipico do arranjo de uma placa ondulada onde as ondulações das placas 62 se prolongam numa direcção oposta às ondulações das placas 64, definindo assim canais de reacção alternados 66 e canais de aquecimento 68. A FIG. 8 ilustra o arranjo preferido de placas onduladas onde o padrão em espinha de peixe nas faces de placas onduladas opostas se prolonga em direcções opostas e as faces de placas opostas entram em contacto umas com as outras para formar assim canais de escoamento, e proporcionar suporte estrutural às secções das placas.
De um modo geral, o invento está assente em canais relativamente estreitos para proporcionar a transferência eficiente de calor através das placas. As ondulações mantêm uma largura de canal variada definida pela altura das ondulações. Normalmente, a largura do canal é, em média, menor que uma polegada (0, 0254 m) com uma largura média preferida menor que polegada (0,0127 m) . No caso de ondulações, a largura média do canal é definida, na prática, como o volume dos canais pela área de secção de corte transversal paralela ao plano primário da placa. Por esta definição, ondulações com paredes laterais essencialmente direitas terão uma largura média igual a metade da largura máxima através do canal.
As zonas de reacção para o processo deste invento podem por, indirectamente, os reagentes em contacto com o fluido de transferência de calor em qualquer direcção relativa. Assim, os canais de escoamento e as entradas e saidas das zonas de reacção podem ser concebidas para o escoamento co-corrente, contracorrente, ou escoamento cruzado de reagentes relativamente ao fluido de transferência de calor.
Também não é necessário, para a prática deste invento, que cada canal de reacção seja alternado com um canal de aquecimento. Configurações possíveis da secção de reacção podem colocar dois ou mais canais de aquecimento entre cada canal de reacção para reduzir a queda de pressão no lado médio da transferência de calor. Quando utilizado para este 20 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ propósito, uma placa que separa canais de aquecimento adjacentes pode conter perfurações.
Os canais adicionais, definidos pelas placas, podem proporcionar uma variedade de funções suplementares. Para além de canais para aquecimento da alimentação nas secções de pré-aquecimento e catalítica, outras funções de canal podem incluir o arrefecimento do efluente da zona de reacção e pré-aquecimento adicional da alimentação contra outras correntes de efluentes. Um arranjo de reactor 69, tendo canais de funções múltiplas, está ilustrado nas FIGS. 9 e 10. A FIG. 9 ilustra um tal arranjo de canal com as funções dos diferentes canais codificadas na concretização esquemática. As letras "FP" referem-se a canal de pré-aquecimento de alimentação. As letras "SR" indicam uma reacção secundária para efeitos de aquecimento, e as letras "PR" representam uma reacção primária.
Como está ilustrado na FIG. 9, o escoamento do fluido através dos canais, do modo desejado, requer dois arranjos diferentes de espaço de recolha e distribuição. O escoamento de fluido através dos espaços de distribuição/recolha pode ser controlado de modo análogo ao descrito e está indicado pelas FIGS. 3-6. Olhando de novo para a FIG. 9, a alimentação para a zona de reacção primária passa através dos canais de pré-aquecimento de alimentação 70 onde a transferência indirecta de calor com os canais de reacção secundários 72 aumenta a temperatura da alimentação até à desejada, para a reacção inicial nos canais de reacção primária 74. A alimentação pré-aquecida dos canais 70 flúi para um espaço de tubagem 76. O espaço de tubagem 76 põe em comunicação a alimentação pré-aquecida com os canais de reacção primária 74. A alimentação pré-aquecida passa para cima através do canal de reacção primária 74 e para outro espaço de tubagem 78. É feita a combustão de uma porção do produto como combustível, um gás, que contém oxigénio e alimentação adicionada opcionalmente ou combustível de combustão, pode entrar no espaço de tubagem 78 através de um bico 80. O espaço de tubagem 78 mistura qualquer fluido que entra através de um bico 80 com o efluente da zona de reacção primária e distribui a mistura como alimentação aos canais de reacção secundária 72. Os canais de reacção secundária 72 21
ΕΡ 1 333 917/PT contêm, de preferência, um catalisador de promoção da combustão ao longo de todo o seu comprimento que promove a reacção secundária exotérmica. À medida que a mistura passa para baixo através de canais de reformação secundários 72, aquece os canais 74 que contêm os reagentes primários, tal como os canais de pré-aquecimento de alimentação 70. A FIG. 10 mostra um espaço de distribuição adicional 82 e o espaço de recolha 84, que forma parte de um reactor 69. Divisões (não ilustradas mas semelhantes às divisões 29 ilustradas na FIG. 3) separam o espaço de distribuição 82 e o espaço de recolha 84 do espaço 78 e 76. A alimentação entra no reactor 69 através de um bico 84. O espaço de distribuição 82 distribui a zona de reformação primária a canais de pré-aquecimento 70, através das entradas abertas 86. Placas de fecho 88 bloqueiam os topos de canais de reacção primária 74 e canais de reacção secundária 72, onde os canais são contíguos com o espaço de distribuição 82. Uma vez distribuídos aos canais de alimentação, a alimentação de reacção primária continua a escoar-se através do reactor 69, tal como está descrito em conjunto com a FIG. 9. O efluente de reacção secundária abandona o reactor 69 através de um espaço de recolha 84 que comunica através dos fundos abertos 90 de canais de reacção secundária 72. Saídas 90 contêm um material peneirado adequado para reter catalisador nos canais de reacção secundários permitindo que o fluido saia dos canais. Os fundos dos canais de reacção primária 74 estão fechados por placas de fecho 92 onde quer que passem através do espaço de recolha 84. Um bico de reacção secundária 94 retira o efluente de reacção secundária recolhida. Qualquer desvio de alimentação entre as zonas de reacção primária e secundária pode ser obtido por tubagem externa que comunica com qualquer espaço de distribuição 82, espaço de recolha 84, e espaço de tubagem 76. O pré-aquecimento adicional, bem como isolamento das zonas de reacção exotérmicas de alinhamento directo com as zonas de reacção endotérmica, é imediatamente obtido pela variação da localização da carga de catalisador entre canais. O espaço numa extremidade de um canal pode também ser utilizado como uma zona de pré-aquecimento de alimentação para a zona de reacção secundária, ou como uma zona de 22 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ arrefecimento de efluente. As FIGS. 9 e 10 ilustram esquematicamente uma carga parcial de catalisador nos canais, por uma linha de nível de catalisador 96. Canais de reacção primária 74 podem conter catalisador de abaixo da linha 96 para as entradas dos canais 74. Em tal arranjo, enquanto uma alimentação flúi para baixo através dos canais de pré-aquecimento de alimentação 70, a zona de reacção secundária aquece inicialmente a alimentação indirectamente com a secção de reacção dos canais de reacção secundária 72. A alimentação de reacção primária, após transferência de calor, entra nos canais de reacção primária para aí reagir. O calor da reacção no canal de reacção secundária 72 aquece a zona de reacção primária numa porção inferior do canal 74, à medida que a alimentação passa para cima através dessa zona. O efluente da zona de reacção primária continua a receber calor da porção superior de canais 72 até sair dos canais 74 e entrar nos topos da zona de canais de reacção secundária 72 para contacto com o catalisador aí contido.
Podem ser combinadas uma variedade de outras combinações de funções de canal em arranjos de passagem única ou passagem múltipla. A utilização de um reactor de placa de transferência de calor facilita o arranjo de canais de aquecimento e oferece muitas variações da funcionalidade desejada para arranjos de sobreposição única ou múltipla.
Por exemplo, as secções superior e inferior dos canais 74, mostradas como teoricamente separadas através das linhas de carga de catalisador 96, podem ser facilmente separadas fisicamente em duas zonas de reacção separadas. Tubagem de recolha e distribuição semelhantes à ilustrada nas FIGS. 3-6 e 9 e 10 podem ser utilizadas para comunicar internamente correntes de fluidos entre as secções de canais separados. Mais utilmente, os arranjos de tubagem podem ser utilizados para comunicar externamente os canais de reacção contidos num único reservatório de reacção único. Comunicação externa irá facilitar o controlo de correntes de gases às diferentes zonas de reacção e zonas de transferência de calor. O controlo externo irá permitir que seja proporcionada uma maior variedade de percursos de escoamento entre os diferentes arranjos de canal. 23 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ
Por via de ilustrações adicionais, as FIGS. 11 e 12 são diagramas que ilustram uma codificação para possíveis arranjos de funções de canal através de uma pluralidade de canais definidos por elementos de placa. Os códigos FP, SR, e PR foram explicados anteriormente. Os códigos adicionais utilizados nos diagramas 10 e 11 incluem "EC", que significa arrefecimento de efluente, e "HP", que se refere a uma zona que contém a corrente de gás quente dos canais de reacção secundária que aquecem os canais de reacção de reformação primária. "HF" significa uma zona na qual a alimentação para a zona de reacção primária é adicionalmente aquecida por transferência indirecta de calor contra uma porção dos canais de reacção secundária. A FIG. 11 descreve três casos de configurações para interligar canais paralelos num padrão de repetição de funções. O caso 1 da FIG. 10 representa o arranjo de canais ilustrado nas FIGS. 8-9, onde um canal de reacção secundária separa os canais de pré-aquecimento da alimentação e os canais de reacção primária, para que exista um canal de reacção primária para cada seis canais, no total. O caso 2 ilustra um arranjo que arrefece o efluente dos canais de reacção secundária contra a alimentação de entrada, e proporciona um canal de reacção primária para cada três canais, no total. O caso 3 é outro arranjo de canal que proporciona um canal de reacção primária e dois canais de reacção secundária para cada seis canais. A FIG. 12 representa arranjos adicionais onde pilhas de reacção múltiplas proporcionam conjuntos de canais duplos que podem ser interligados externamente ou internamente de um modo que proporciona uma abundância de funções de canal diferentes. Todas as configurações no diagrama da FIG. 12 são concretizações simplificadas de arranjos de transferência de calor de passagem dupla superior e inferior com funções diferentes descritas pelos códigos descritos anteriormente, e um código adicional "HP" que representa um canal utilizado para aquecimento indirecto da zona de reacção primária. O caso 1 da FIG. 12 ilustra uma secção de um permutador de passagem dupla. No conjunto do canal inferior, a alimentação de reacção primária sofre transferência indirecta 24 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ de calor com as placas que contêm a reacção de reformação secundária nos seus lados opostos. Os conjuntos do canal superior reagem a alimentação pré-aquecida nos canais opostos da zona de reacção primária que contêm o efluente quente da zona de reacção secundária e que aquecem a zona de reacção primária. Tubagem ligada externamente transfere o efluente da zona de reacção primária para a zona de reacção de reformação secundária. 0 caso 2 da FIG. 12 ilustra, representativamente, outro arranjo de um canal de empilhamento duplo. A secção de canal superior arrefece a corrente de produto da zona de reacção secundária por transferência indirecta de calor oposta à corrente de entrada. Funcionalmente, a secção superior serve essencialmente os mesmos propósitos do permutador 13 na FIG. 3. A secção de canal inferior proporciona aquecimento indirecto da zona de reacção secundária directamente através para a zona de reacção primária. 0 caso 3 da FIG. 12 é ainda outra variação de um esquema de escoamento que utiliza o colector entre dois conjuntos de canais de aquecimento para estabelecer um arranjo de transferência de calor semelhante ao ilustrado no caso 1 da FIG. 12. 0 caso 3 difere do caso 1 por dirigir fluidos de um modo contracorrente, ao contrário da direcção co-corrente do escoamento de fluido do caso 1.
Finalmente, o caso 4 ilustra um arranjo onde dois conjuntos separados de canais de aquecimento são utilizados em ligação com uma zona de reacção secundária. A zona de reacção secundária pode ser integral com os canais ou pode estar localizada externamente aos conjuntos dos canais. A zona de reacção secundária pode também servir como um colector de distribuição de ligação para canais comunicantes. Neste arranjo, a alimentação entra na zona de pré-aquecimento de alimentação e sofre transferência indirecta de calor contra o efluente da zona de reacção secundária. A alimentação passa então da zona de pré-aquecimento para a zona de reacção primária. Gases quentes da reacção secundária aquecem a zona de reacção primária por transferência indirecta de calor. 0 efluente da zona de reacção primária entra na zona de reacção secundária que pode estar disposta 25 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ como canais ou como uma base fixa de catalisador de reacção secundária. O efluente da zona de reacção secundária fornece gases quentes para aquecimento da zona de reacção primária que sofre depois arrefecimento indirecto adicional com a alimentação de entrada de reacção primária. 0 aumento adicional de controlo de temperatura pode ser obtido pela utilização de injecção intermédia do fluido de oxidação ou combustível adicional. Actuando com um escoamento contra-corrente ou co-corrente os reagentes primários abandonam os lados dos canais disponíveis para injecção de escoamento cruzado de fluido ou alimentação de oxidação intermédia. Um padrão de escoamento cruzado proporciona controlo adicional na produção de calor em locais específicos, permitindo assim o ajustamento do perfil de temperatura na zona de reacção secundária. Onde a zona de reacção secundária transferir calor directamente contra a zona de reacção primária, a injecção intermédia pode também ser utilizada para influenciar o perfil de temperatura dentro da zona de reacção primária.
Exemplo 0 efeito de utilizar o processo e arranjos de canal deste invento para manter condições isotérmicas foi investigado num processo de conversão de hidrocarbonetos para a desidrogenação de parafinas. Foi preparada uma simulação baseada na capacidade deste invento para manter condições isotérmicas baseadas num escoamento de entrada tendo uma composição dada na tabela 1. As condições isotérmicas que resultam deste invento foram simuladas num processo de desidrogenação, utilizando uma configuração de canal, como a representada esquematicamente na FIG. 2, em que é feita a combustão independente do metano para proporcionar a entrada de calor no processo.
Na simulação deste processo, uma corrente de entrada transportada através da linha 10 e tendo a composição dada na tabela 1 passa para um permutador de calor 12 que aumenta a temperatura da corrente de entrada de aproximadamente 370°C para 390 °C. Ao mesmo tempo, o efluente da zona de 26 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ desidrogenação, tendo a composição relativa dada para a corrente 14, é retirado do permutador 12 através da linha 24. A linha 18' transporta a corrente de entrada parcialmente aquecida para a zona de pré-aquecimento 40 que recebe calor da zona de aquecimento 28'. A transferência indirecta de calor através de uma série de placas de transferência de calor aumenta a temperatura da alimentação até aproximadamente 480°C quando esta sai da zona de pré-aquecimento 40. A simulação do processo de porções de zona de pré-aquecimento e reacção catalítica é baseada na utilização de placa de transferência de calor tendo 250 camadas de catalisador, um comprimento de zona de pré-aquecimento de cerca de 1,1 m e um comprimento de zona catalítica de cerca de 0,37 m. As placas definem os canais de reacção que alternam entre os canais de aquecimento e têm uma espessura de cerca de 1,2 mm, ondulações com uma profundidade de cerca de 10 mm e uma largura de cerca de 5500 mm. As placas estão colocadas ao lado uma da outra num padrão alternante de ondulações, de tal forma que os picos das ondulações estejam em contacto. Os canais de reacção e canais de transferência de calor actuam a uma pressão média de cerca de 20 psig. A corrente de entrada aquecida sofre desidrogenação para produzir a corrente de produto tendo a composição descrita anteriormente para a linha 14. O aquecimento indirecto contínuo da zona de aquecimento 28' mantém a temperatura da corrente de produto da zona catalítica 42 a uma temperatura de saída de 474°C. A secção de reacção catalítica contém um catalisador de desidrogenação típico que compreende um suporte de platina ou alumina. A linha 30 fornece uma mistura de metano, oxigénio e óxidos de carbono à zona de aquecimento 28' para proporcionar a entrada de calor indirecta para a zona de pré-aquecimento e zona catalítica. Aproximadamente 74,000 kg moles/h da mistura de aquecimento em circulação são purgados da linha de saída 32 através da linha 38 enquanto o restante da mistura de aquecimento, juntamente com 7,000 kg moles/h de corrente de metano e ar, fornecendo 14000 kg moles/h de oxigénio, regressam à linha de entrada 30. 27 ΕΡ 1 333 917/ΡΤ
TABELA
Descrição da corrente kg mole/h 10 14 h2o 13,3 13,3 Hidrogénio 2733,4 2824,0 Metano 57, 9 57, 9 Etano 150,3 150,3 Propano 54, 4 54, 4 n-Butano 34, 8 34, 8 n-Pentano 20,2 20,2 Ώ-Cg-Cg 12, 1 11, 9 o 0 1 C 139, 0 116,1 n-Cu 168, 8 136,7 n-Ciz 116,9 91, 9 n-Co 39, 8 30,2 n-Ci4 2, 8 2, 0 1-Noneno — 0, 2 1-Deceno 0, 8 23, 7 1-Undeceno 0,3 32, 4 1-Dodeceno 0,1 25, 1 1-Trideceno — 9,6 1-Tetra deceno — 0,7 Total: 3544,9 3634,7
Lisboa

Claims (16)

  1. ΕΡ 1 333 917/ΡΤ 1/4 REIVINDICAÇÕES 1 - Processo para contacto de reagentes com um catalisador numa zona de reacção (40) e aquecimento indirecto dos reagentes por contacto com um meio de aquecimento, compreendendo o processo: (a) a passagem de uma corrente de reagentes através de uma pluralidade de canais de reacção estreitos (29), definidos por espaços entre as placas principais (44), e o aquecimento da corrente de reagentes na ausência do catalisador numa primeira porção (29'') dos canais de reacção estreitos; (b) a passagem de um meio de aquecimento através de uma pluralidade de canais de aquecimento estreitos (49), definidos pelas placas principais (44), e o aquecimento indirecto da corrente de reagentes na primeira porção dos canais de reacção através das placas com o meio de aquecimento numa porção de pré-aquecimento dos canais de aquecimento, para proporcionar uma corrente de reagentes aquecida nos canais de reacção; (c) a passagem da corrente de reagentes aquecida através de uma segunda porção (29') dos canais de reacção (29) e o contacto da corrente de reagentes aquecida com um catalisador na segunda porção dos canais de reacção, para produzir uma corrente de reagidos; e (d) o aquecimento indirecto da segunda porção dos canais de reacção com meio de aquecimento, enquanto passa através de uma porção de aquecimento primário dos canais de aquecimento (49); e (e) a passagem de uma porção da corrente de reagidos para os canais de aquecimento estreitos (49).
  2. 2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, em que os canais de aquecimento contêm um catalisador de oxidação. ΕΡ 1 333 917/ΡΤ 2/4
  3. 3 - Processo de acordo com a reivindicação 1, em que as placas principais definem canais de reacção alternados e canais de aquecimento.
  4. 4 - Processos de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, em que o meio de aquecimento compreende metano e oxigénio e a combustão de metano proporcionar pelo menos uma porção do aquecimento para os canais de reacção.
  5. 5 - Processo de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, em que as primeira e segunda porções dos canais de reacção e as porções de pré-aquecimento e aquecimento dos canais de aquecimento são continuas.
  6. 6 - Processo de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, em que as placas definem ondulações e as ondulações mantêm o espaçamento das placas.
  7. 7 - Processo de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, em que o catalisador nos canais de reacção compreende um material em partículas retido nos canais.
  8. 8 - Processo de acordo com as reivindicações 1, 2 ou 3, em que os canais de reacção têm uma largura média inferior a 2,54 cm.
  9. 9 - Processo de acordo com a reivindicações 1, 2 ou 3, em que o aquecimento dos reagentes ser realizado por contacto com os gases de combustão, formados numa zona de produção de calor.
  10. 10 - Processo de acordo com a reivindicação 9 em que um catalisador de combustão, que compreende um material em partículas, está retido nos canais de aquecimento.
  11. 11 - Aparelho para contacto de reagentes com um catalisador numa zona de reacção, aquecendo indirectamente ao mesmo tempo os reagentes por contacto com gases de combustão, formados numa zona de produção de calor, compreendendo o aparelho: uma pluralidade de canais de reacção alternados (29) e canais de aquecimento (49), definidos por uma ΕΡ 1 333 917/ΡΤ 3/4 pluralidade de placas primárias (44) para ter uma entrada de reagentes numa extremidade dos canais de reacção, uma saída de reagentes numa extremidade oposta dos canais de reacção, uma entrada de fluido de aquecimento numa extremidade dos canais de aquecimento e uma saída de fluido de aquecimento na extremidade oposta dos canais de aquecimento; meios para exclusão de um catalisador sólido de uma porção de pré-aquecimento dos canais de reacção, localizados a jusante da entrada de reagentes e que retém um catalisador sólido numa porção catalítica dos canais de reacção, localizados a jusante da porção pré-aquecida; meios para fornecimento de uma corrente de reagentes à entrada de reagentes e para retirada de uma corrente de reagidos da saída de reagentes; meios para fornecimento de um fluido de aquecimento ao orifício de entrada de fluido de aquecimento e para retirada de um fluido de aquecimento do orifício de saída de fluido de aquecimento; e meios para fornecimento de uma porção da corrente de regidos à entrada de fluido de aquecimento.
  12. 12 - Aparelho de acordo com a reivindicação 11, em que os canais de aquecimento definem uma zona de combustão e os canais de aquecimento retêm um catalisador de promoção da combustão.
  13. 13 - Aparelho de acordo da reivindicação 12, caracterizado por o catalisador de promoção da combustão compreender um catalisador de oxidação e uma conduta de oxigénio fornecer oxigénio aos canais de aquecimento.
  14. 14 - Processo de acordo com a reivindicação 1, em que os canais de aquecimento estreitos (49) contêm um material catalisador para a promoção de uma reacção exotérmica e o catalisador na segunda porção (29') dos canais de reacção (29) destina-se à promoção de uma reacção endotérmica. ΕΡ 1 333 917/PT 4/4
  15. 15 - Processo da reivindicação 1, que compreende ainda: a recolha da corrente de reagidos num volume de colector (78) que tem comunicação directa com saidas definidos pelas placas que definem a segunda porção (74) de canais de reacção; injectar um fluido intermédio directamente no volume de colector (78) e misturá-lo com pelo menos uma porção da corrente de reagidos para produzir uma corrente misturada.
  16. 16 - Processo de acordo com a reivindicação 15, caracterizado por compreender ainda a passagem da corrente misturada do volume de colector (78) directamente para as entradas da dita pluralidade de canais de aquecimento estreitos (72), definidos por placas que estão em comunicação directa com o volume de colector (78). Lisboa,
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100542217B1 (ko) 2004-06-07 2006-01-12 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템 및 이에 사용되는 개질기
KR100551053B1 (ko) 2004-06-29 2006-02-09 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지 시스템의 개질기 및 이를 채용한 연료 전지시스템
EP1625887B1 (en) * 2004-08-05 2009-01-14 Saudi Basic Industries Corporation Process with a heat-exchanger coated with a catalyst
JP4809113B2 (ja) * 2006-04-24 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器
US20090064579A1 (en) * 2006-04-24 2009-03-12 Tokyota Jidosha Kabushiki Kaisha Heat exchange reformer unit and reformer system
JP4809117B2 (ja) * 2006-04-28 2011-11-09 株式会社豊田中央研究所 熱交換型改質器及び改質装置
GR1006128B (el) * 2007-05-25 2008-11-03 . Υψηλα θερμικα ολοκληρωμενος αναμορφωτης για παραγωγη υδρογονου
US8394154B2 (en) * 2007-12-28 2013-03-12 Texaco Inc. Counter-current oxidation and steam methane reforming process and reactor therefor
EP2233209B1 (de) * 2009-03-24 2014-11-05 Basf Se Formkörper
BR112013013597A2 (pt) * 2010-12-01 2016-09-13 Meggitt Uk Ltd aparelho para utilização na produção de ácido nítrico
RU2462502C1 (ru) * 2011-04-06 2012-09-27 Ольга Васильевна Малова Способ осуществления каталитической эндотермической реакции
US11286169B2 (en) * 2017-11-25 2022-03-29 Starfire Energy Chemical reactor with integrated heat exchanger, heater, and high conductance catalyst holder
CN108745223A (zh) * 2018-06-20 2018-11-06 华北电力大学 一种具有余热回收利用功能的高效微反应器系统
CN108686612A (zh) * 2018-08-02 2018-10-23 汤铁 管式逆流换热反应器
EP4133218A4 (en) * 2020-04-09 2023-11-15 Woodside Energy Technologies Pty Ltd METHOD AND PLANT FOR PROCESSING HYDROCARBON USING RENEWABLE ENERGY

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01168332A (ja) * 1987-12-25 1989-07-03 Hitachi Ltd 燃料改質装置
JPH0812303A (ja) * 1994-07-05 1996-01-16 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd プレートリフォーマ
JP3555704B2 (ja) * 1995-03-13 2004-08-18 石川島播磨重工業株式会社 予熱機能付きプレート型改質器
JPH0930801A (ja) * 1995-07-19 1997-02-04 Mitsubishi Electric Corp 改質反応器
DE19725378A1 (de) * 1997-06-16 1998-12-17 Gerhard Friedrich Kompakter Festbettreaktor für katalytische Reaktionen mit integriertem Wärmeaustausch

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