BRPI0608541A2 - métodos para operar um reator de leito fluidizado bifásico e para operar um reator de lama trifásico, e, reatores de leito fluidizado bifásico e de lama trifásico - Google Patents

Abstract

METODOS PARA OPERAR UM REATOR DE LEITO FLUIDIZADO BIFáSICO E PARA OPERAR UM REATOR DE LAMA TRIFáSICO, E, REATORES DE LEITO FLUIDIZADO BIFASICO E DE LAMA TRIFASICO. Um método para operar um reator de lama trifásico inclui alimentar a um baixo nível pelo menos um reagente gasoso em um corpo de lama de partículas sólidas se estendendo verticalmente suspensas em um líquido de suspensão, o corpo de lama estando contido em pelo menos dois eixos se estendendo verticalmente alojados dentro de um envoltório de reator comum, cada eixo sendo dividido em uma pluralidade de canais se estendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão em comunicação de fluxo de lama e o corpo de lama estando presente em pelo menos alguns dos canais. O reagente gasoso é permitido reagir quando passa ascendentemente pelo corpo de lama presente em pelo menos alguns dos canais dos eixos, por esse meio para formar um produto não gasoso e/ou gasoso. Produto gasoso, se presente, e/ou reagente gasoso não reagido é permitido desprender do corpo de lama em um espaço superior acima do corpo de lama.

Description

"MÉTODOS PARA OPERAR UM REATOR DE LEITO FLUIDIZADOBIFÁSICO E PARA OPERAR UM REATOR DE LAMA TRIFÁSICO, E,REATORES DE LEITO FLUIDIZADO BIFÁSICO E DE LAMATRIFÁSICO"

Esta invenção relaciona-se a um método para operar um reatorde leito de fluido e a um reator de leito de fluido.

Risco considerável é encontrado quando tecnologia éaumentada de escala de planta piloto para escala de planta comercial a fim decolher os benefícios de economia de escala. Reatores de leito de fluido, taiscomo reatores de lama de trifásicos e reatores de leito fluidizado bifásicos,tipicamente exibem efeitos de macro-mistura dependentes de escala e o riscoacima mencionado é assim aplicável quando reatores de leito de fluido sãoaumentados. Será assim uma vantagem se um método puder ser achado quepossa reduzir significativamente o risco associado com aumento de reatoresde leito de fluido. Além disso, projetos de reator nos quais os padrões demistura dentro do reator podem ser modelados ou preditos mais prontamentede experimentação têm o benefício que a extensão de retro-misturanormalmente indesejável pode ser limitado por esse meio permitindopotencialmente uma combinação ótima de características de fluxo tampãodesejáveis (normalmente boa produtividade e boa seletividade) ecaracterísticas bem misturadas (freqüentemente requeridas para distribuiçãode sólidos desejável e perfis de temperatura uniformes).

De acordo com um aspecto da invenção, é provido um métodopara operar um reator de leito fluidizado bifásico, o método incluindo:alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso emum corpo fluidizado de partículas sólidas se estendendo verticalmente, ocorpo fluidizado estando contido em pelo menos dois eixos se estendendoverticalmente alojados dentro de um envoltório de reator comum, cada eixosendo dividido em pelo menos uma pluralidade de canais se estendendoverticalmente, pelo menos alguns dos quais estão em comunicação de fluxo eo corpo fluidizado estando presente em pelo menos alguns dos canais;

permitir ao reagente gasoso reagir quando passaascendentemente pelo corpo fluidizado presente em pelo menos alguns doscanais dos eixos, por esse meio para formar um produto gasoso;

permitir a produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagidodesprender do corpo fluidizado em um espaço superior acima do corpofluidizado; e

retirar produto gasoso e reagente gasoso não reagido, sepresente, do espaço superior.

Tipicamente, o produto gasoso retirado e reagente gasoso nãoreagido incluem partículas sólidas do corpo fluidizado. O método pode assimincluir separar as partículas sólidas dos gases, por exemplo por meio deciclones. O método também pode incluir retornar as partículas sólidasseparadas ao corpo fluidizado.

O método pode incluir manter o corpo fluidizado a um níveldesejável adicionando ou removendo partículas sólidas, por exemplo por meiode métodos pneumáticos. Preferivelmente, um gás de arraste é usado em taismétodos pneumáticos para fluidificar as partículas sólidas se elas forem paraser adicionadas ao corpo fluidizado.

A invenção se estende a um método para operar um reator delama trifásico como descrito em seguida. Ao descrevendo a invençãoademais, referência é feita assim a um corpo de lama em vez de um corpofluidizado. É porém para ser apreciado que o que é declarado a respeito dainvenção com referência a um corpo de lama ou lama também é aplicável àinvenção com referência a um corpo fluidizado de partículas sólidas, a menosque fosse claramente entendido não ser aplicável por uma pessoa qualificadana técnica de reatores de leito de fluido.

Assim, de acordo com outro aspecto da invenção, é providoum método para operar um reator de lama trifásico, o método incluindo:

alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso emum corpo de lama de partículas sólidas se estendendo verticalmente suspensasem um líquido de suspensão, o corpo de lama estando contido em pelo menosdois eixos se estendendo verticalmente alojados dentro de um envoltório dereator comum, cada eixo sendo dividido em uma pluralidade de canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão emcomunicação de fluxo de lama e o corpo de lama estando presente em pelomenos alguns dos canais;

permitir ao reagente gasoso reagir quando passaascendentemente pelo corpo de lama presente em pelo menos alguns doscanais dos eixos, por esse meio para formar um produto não gasosos ougasoso;

permitir a produto gasoso, se presente, e/ou reagente gasosonão reagido desprender do corpo de lama em um espaço superior acima docorpo de lama;

retirar produto gasoso, se presente, e/ou reagente gasoso nãoreagido do espaço superior; e

se necessário, manter o corpo de lama a um nível desejadoretirando líquido de suspensão, incluindo produto não gasoso se presente, ouadicionando líquido de suspensão.

O método pode incluir passar por um meio de transferência decalor por alguns dos canais dos eixos, os canais contendo meio detransferência de calor de um eixo estando em comunicação de fluxo.

Os canais de um eixo podem estar em planos paralelos epodem conter alternadamente o corpo de lama e o meio de transferência decalor.

Ao invés, o método pode incluir cercar os canais de um eixocom meio de transferência de calor. Os canais podem estar assim na forma detubos se estendendo verticalmente, com os eixos sendo definidos estendendoverticalmente paredes laterais dividindo o reator. As paredes laterais podemformar cordas do envoltório quando a envoltório é circular cilíndrico equando visto em seção horizontal.

Superfícies de transferência de calor do reator, tais comoaquelas do tubos e/ou das paredes laterais, podem opcionalmente serformadas ou texturizadas para aumentar sua área de superfície detransferência de calor ou melhorar coeficientes de transferência de calor,comparados àqueles de tubos cilíndricos lisos ou paredes laterais lisas. Aformação ou texturização pode incluir, entre outros métodos conhecidos apessoas qualificadas na técnica, o uso de tubos ou placas onduladas,nervuradas ou aletadas.

Comunicação de fluxo de lama entre canais em um eixopreferivelmente só ocorre a extremidades de e topo /ou fundo de tais canais.

Como será apreciado, cada eixo com seus canais atua comoum reator de bolha de lama ou reator de lama trifásico (ou no caso de umreator de leito fluidizado, como um reator de leito fluidizado bifásico). Projetoe teste de um único eixo em uma escala piloto é possível, com um reator deescala comercial então incluindo uma pluralidade dos eixos, por esse meioreduzindo substancialmente o risco de escala aumento.

Enquanto é acreditado que o método de acordo com o segundoaspecto da invenção pode, pelo menos em princípio, ter aplicação mais ampla,é idealizado que as partículas sólidas normalmente serão partículas decatalisador para catalisar a reação do reagente gasoso ou reagentes gasososem um produto, isto é, um produto líquido e/ou um produto gasoso. O líquidode suspensão normalmente, mas não necessariamente sempre, será produtolíquido, com fase líquida assim sendo retirada do corpo de lama para manter ocorpo de lama a um nível desejado.

Além disso, enquanto também é acreditado que, em princípio,o método de acordo com o segundo aspecto da invenção pode ter aplicaçãomais ampla, é idealizado que terá aplicação particular em síntese dehidrocarbonetos, onde os reagentes gasosos são capazes de reagirexotermicamente e cataliticamente no corpo de lama para formar produto dehidrocarboneto líquido e, opcionalmente, produto de hidrocarboneto gasoso.Em particular, a reação ou síntese de hidrocarboneto podem ser síntese deFischer-Tropsch, com os reagentes gasosos estando na forma de um fluxo degás de síntese incluindo principalmente monóxido de carbono e hidrogênio, ecom ambos produtos de hidrocarboneto líquidos e gasosos sendo produzidos eo meio de transferência de calor sendo um meio de esfriamento, por exemploágua de alimentação de caldeira.

O método pode incluir permitir a lama passar para baixo de umnível alto no corpo de lama para um nível mais baixo dele, usando um oumais canais nos eixos. Isto pode incluir prevenir reagente gasoso ou areagentes de entrarem em um ou mais canais nos eixos, por exemploprovendo um defletor, por esse meio permitindo a estes canais atuarem comotubos descendentes, e/ou podem incluir desgasificar a lama no canal, porexemplo, adicionando um desgasificador a uma extremidade superior docanal.

O processo pode incluir esfriar o gás do espaço superior paracondensar produto líquido, por exemplo hidrocarbonetos líquidos e água dereação, separar o produto liquido dos gases para prover gás de arraste, ereciclar pelo menos algum do gás de arraste ao corpo de lama como um fluxode gás de reciclo.

Pelo menos alguns eixos individuais podem cada um ter umaentrada de reagente gasoso. O método pode incluir alimentar o reagente oureagentes gasosos, ou reciclar gás, para estes eixos individuais. O reagente oureagentes gasosos podem ser alimentados independentemente da alimentaçãopara outro eixo, particularmente outro eixo na mesma elevação.Pelo menos alguns dos eixos podem cada um ter uma saída ouentrada de lama ou de líquido de suspensão. O método pode incluir manter onível de corpo de lama nestes eixos adicionando ou retirando lama ou líquidode suspensão pela entrada ou saída de líquido. O líquido de suspensão oulama pode ser adicionada ou retirada de um eixo independentemente de outroeixo, particularmente outro eixo na mesma elevação.

Pelo menos alguns dos eixos podem cada um incluir ou definiruma zona de filtração para a remoção de fase líquida do reator. A fase líquidapode ser retirada de um eixo independentemente de outro eixo.

Pelo menos dois dos eixos se estendendo verticalmente podemser espaçados verticalmente, com uma extremidade superior de um eixoinferior estando abaixo de uma extremidade inferior de um eixo superior. Ométodo pode incluir permitir a lama passar para baixo de um nível alto nocorpo de lama no eixo superior para um nível inferior dele, e o método podeincluir permitir a lama passar para baixo de um nível alto no corpo de lama doeixo inferior para um nível inferior dele. O método da invenção assim permitea redistribuição de lama ou reciclo através de regiões se estendendoverticalmente selecionadas do reator, que é menos prejudicial paracomportamento de fluxo tampão que reciclo de lama através da altura dereator total. Ao mesmo tempo, como resultado do uso dos canais, ascaracterísticas desejáveis de uma alta relação de aspecto (relação decomprimento/diâmetro) para o reator são realizadas. Porém, se desejado, ométodo pode incluir permitir a lama passar para baixo de um nível alto nocorpo de lama no eixo superior para um nível baixo no corpo de lama no eixoinferior, por exemplo tendo canais que estão verticalmente em registro, ouque estão conectados verticalmente para estarem em comunicação fluida,atuando como "tubos descendentes".

O método pode incluir alimentar gás de reciclo a um nívelelevado no corpo de lama, de forma que dito gás de reciclo só passe pelo eixosuperior ou eixos superiores e desvie o eixo inferior ou eixos inferiores.

O método pode incluir prevenir a comunicação de fluxo delama entre eixos adjacentes, ou entre todos os eixos na mesma elevação. Aoinvés, o método pode permitir a comunicação de lama entre eixos adjacentes auma elevação entre as extremidades superiores e extremidades inferiores doseixos, ou o método pode incluir permitir a comunicação de fluxo de lamaentre eixos nas extremidades inferiores dos eixos, particularmente entre asextremidades inferiores de eixos inferiores. O método pode incluir tambémpermitir a comunicação de fluxo de lama entre eixos em uma região vertical,mas prevenir comunicação de fluxo de lama em uma região vertical diferenteentre os mesmos eixos para impedir o estabelecimento de padrões de macro-mistura.

De acordo com um aspecto adicional da invenção, é providoum reator de leito fluidizado bifásico, o reator incluindo:um envoltório de reator alojando pelo menos dois sub-reatoresse estendendo verticalmente, cada um definindo uma pluralidade de canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão emcomunicação de fluxo e que definem uma zona de leito fluidizado que, emuso, conterá um corpo fluidizado de partículas sólidas;

uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator; e

uma saída de gás no envoltório de reator para retirar gás de umespaço superior no envoltório de reator acima de um ou mais dos sub-reatores.

O reator de leito fluidizado pode incluir uma entrada ou saídade partículas sólidas para adicionar ou retirar partículas sólidas para ou doreator.

De acordo com ainda outro aspecto da invenção, é provido umreator de lama trifásico, o reator incluindo:um envoltório de reator alojando pelo menos dois sub-reatoresse estendendo verticalmente, cada um definindo uma pluralidade de canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão emcomunicação de fluxo de lama e que definem uma zona de lama que, em uso,conterá um lama de partículas sólidas suspensas em um líquido de suspensão;

uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator;

uma saída de gás no envoltório de reator para retirar gás de umespaço superior no envoltório de reator acima de um ou mais dos sub-reatores; e

se necessário, uma entrada de líquido ou uma saída de líquidopara adicionar ou retirar lama ou líquido de suspensão para ou do reator.

Tipicamente, pelo menos alguns dos sub-reatores do reator delama incluem ou definem uma zona de filtração para a remoção de faselíquida do reator.

Os sub-reatores podem incluir uma pluralidade de paredes dedivisor se estendendo verticalmente, que entre elas definem os canais seestendendo verticalmente. Uma ou mais paredes laterais se estendendoverticalmente de um sub-reator podem ser definidas por uma parede dedivisor de um ou mais sub-reatores adjacentes.

Tipicamente, pelo menos alguns dos canais são canais de fluxode meio de transferência de calor, tendo superfícies de transferência de calor.

Ao invés, os sub-reatores podem incluir uma pluralidade detubos se estendendo verticalmente, cada tubo definindo um canal. Defletoresse estendendo verticalmente ou paredes laterais podem definir lados dos sub-reatores. Dois sub-reatores adjacentes podem compartilhar um defletorcomum ou parede lateral. As paredes laterais podem ser como descrito aquiantes.

Tipicamente, os tubos têm um diâmetro de pelo menos 10 cm.Superfícies de transferência de calor do reator, tais comoaquelas dos tubos e/ou paredes laterais, podem opcionalmente ser formadasou texturizadas para aumentar sua área de superfície de transferência de calorou melhorar coeficientes de transferência de calor comparados àqueles detubos cilíndricos lisos ou paredes laterais lisas. A formação ou texturizaçãopode incluir, entre outros métodos conhecidos a pessoas qualificadas natécnica, o uso de tubos ou placas onduladas, nervuradas ou aletadas.

Quando os sub-reatores incluem uma pluralidade de paredesde divisor se estendendo verticalmente, que entre elas definem os canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos canais podem ser canais defluxo de meio de transferência de calor. Quando os sub-reatores incluem umapluralidade de tubos se estendendo verticalmente, um espaço de fluxo de meiotransferência de calor pode ser definido entre as defletores ou paredes lateraisde um sub-reator, o espaço de fluxo de meio de transferência de calor assimcercando os tubos.

Tipicamente, os canais de fluxo de meio de transferência decalor ou o espaço de fluxo meio de transferência de calor estão comunicaçãode fluxo com um arranjo de entrada de meio transferência de calor e umarranjo de saída de meio de transferência de calor. O arranjo de entrada demeio de transferência de calor e o arranjo de saída de meio de transferência decalor podem servir todos os canais de fluxo meio de transferência de calor emum sub-reator. O arranjo de entrada ou saída de meio de transferência de calorde um sub-reator podem estar em comunicação de fluxo respectivamente como arranjo de entrada ou saída de meio de transferência de calor de outro sub-reator.

Os canais de fluxo de meio de transferência de calor e oscanais definindo zonas de lama ou leito fluidizado podem ser arranjadosalternadamente.

O reator pode incluir um ou mais dos sub-reatores arranjados aum nível inferior no envoltório e um ou mais sub-reatores arranjados a umnível mais alto no envoltório, tal que extremidades inferiores de canais dossub-reatores superiores estejam acima de extremidades superiores dos canaisdos sub-reatores inferiores.

O reator pode incluir uma zona intermediária entre os sub-reatores superiores e os sub-reatores inferiores. A zona intermediária podeestar em comunicação de fluxo com canais de zona de lama ou leitofluidizado de um sub-reator superior ou sub-reatores superiores e com canaisde zona de lama ou leito fluidizado de um sub-reator inferior ou sub-reatoresinferiores.

A entrada de gás pode ser arranjada para alimentar umreagente gasoso ou reagentes gasosos diretamente em pelo menos alguns dossub-reatores, a baixas elevações nos sub-reatores. Tipicamente, a entrada degás é arranjada para alimentar um reagente gasoso ou reagentes gasososdiretamente em cada um dos sub-reatores inferiores, a baixas elevações nestessub-reatores inferiores.

O reator pode incluir uma entrada de gás de reciclo. A entradade gás de reciclo pode ser arranjada para alimentar gás de reciclo diretamenteem pelo menos alguns dos sub-reatores. A entrada de gás de reciclo pode serarranjada para alimentar gás de reciclo diretamente em cada um dos sub-reatores inferiores e/ou cada um dos sub-reatores superiores. Ao ser arranjadapara alimentar gás de reciclo diretamente aos sub-reatores superiores, aentrada de gás de reciclo pode ser arranjada para alimentar o gás de reciclo nazona intermediária.

Um ou mais canais de um sub-reator podem ser um canal detubo descendente. Um canal de tubo descendente pode ser provido a suaextremidade inferior com um dispositivo de prevenção de gasificação, porexemplo um defletor, e/ou pode ser provido em sua extremidade superior comum desgasificador. Um canal de tubo descendente em um sub-reator superiorpode estar em registro ou em comunicação de fluxo com um canal de tubodescendente em um sub-reator inferior. Ao invés, um canal de tubodescendente em um sub-reator superior pode ser espaçado horizontalmente oualternado de um canal de tubo descendente em um sub-reator inferiordiretamente em baixo do sub-reator superior.

Preferivelmente, cada sub-reator tem um lado verticalmente seestendendo enfrentando o envoltório ou sendo definido pelo envoltório. Istopermite arranjo de tubulação para ou de cada sub-reator.

Sub-reatores adjacentes a uma elevação particular noenvoltório podem ser isolados um do outro até onde comunicação de fluxo delama ou corpo fluidizado está relacionada. Porém, em uma concretização dainvenção, comunicação de fluxo de lama ou corpo fluidizado entre sub-reatores adjacentes é provida abaixo dos sub-reatores inferiores, isto é, em umfundo do reator. Também, em uma concretização da invenção, comunicaçãode fluxo de lama ou corpo fluidizado é provida entre sub-reatores superioresadjacentes, abaixo dos sub-reatores superiores, mas acima dos sub-reatoresinferiores. Tipicamente, isto é alcançado permitindo fluxo de lama ou decorpo fluidizado entre sub-reatores superiores adjacentes na zonaintermediária.

Tipicamente, onde comunicação de fluxo de lama ou corpofluidizado entre sub-reatores na mesma elevação foi permitida, comunicaçãode fluxo de lama ou corpo fluidizado não é permitida entre sub-reatores queestão em registro com os sub-reatores entre os quais comunicação de fluxolama ou corpo fluidizado foi permitida, mas que estão localizados em outraelevação.

Tipicamente, comunicação de fluxo de lama ou corpofluidizado entre extremidades superiores de sub-reatores superiores adjacentesé prevenida. Assim, embora o espaço superior acima dos sub-reatoressuperiores seja comum aos sub-reatores superiores, lama ou corpo fluidizadoé tipicamente impedido de fluir da extremidade superior de um canal de umsub-reator para outro sub-reator adjacente, por exemplo por meio de paredeslaterais dos sub-reatores se estendendo no espaço superior acima de um nívelde lama ou leito fluidizado normal em cada sub-reator superior.

A invenção será descrita agora em mais detalhe com referênciaaos desenhos acompanhantes, em que:

Figura 1 mostra esquematicamente uma vista de elevaçãosecional de um reator de lama trifásico de acordo com a invenção;

Figura 2 mostra uma vista de cima secional do reator de lamada Figura 1;

Figura 3 mostra uma vista secional de elevação de outraconcretização de um reator de lama trifásico de acordo com a invenção; e

Figura 4 mostra uma vista de cima secional do reator de lamada Figura 3.

Se referindo às Figuras 1 e 2 dos desenhos, numerai dereferência 10 indica geralmente um reator de fase de lama trifásico de acordocom a invenção. O reator 10 é adequado para síntese de hidrocarbonetos emum processo no qual reagentes gasosos na forma de um gás de síntese sãoreagidos em um corpo de lama ou leito de lama incluindo um líquido desuspensão de produto e partículas de catalisador.

O reator 10 inclui uma envoltório de reator 12 alojando vinte equatro sub-reatores em forma de paralelepípedo 14. Os sub-reatores 14 estãoagrupados em grupos de doze cada, com um grupo indicado geralmente pornumerai de referência 16 sendo sub-reatores inferiores e outro grupo, indicadogeralmente por numerai de referência 18 sendo sub-reatores superiores. Ossub-reatores superiores estão espaçados verticalmente dos sub-reatoresinferiores deixando uma zona intermediária 20 entre os sub-reatoressuperiores 18 e os sub-reatores inferiores 16.

Cada sub-reator 14 inclui uma pluralidade de paredes ouplacas de divisor de metal se estendendo verticalmente 22, que entre elasdefinem canais se estendendo verticalmente 24. Os sub-reatores 14 tambémtêm paredes laterais 26. Como pode ser visto claramente na Figura 2, asparedes laterais 26 de alguns dos sub-reatores 14 estão definidas por umaparede de divisor 22 de um sub-reator adjacente 14, com as paredes de divisor22 destes dois sub-reatores 14 sendo arranjados perpendicularmente.

Embora não mostrado nas Figuras 1 e 2, pelo menos algumasdas paredes de divisor ou placas 22 podem ser formadas ou texturizadas paraaumentar sua área de superfície de transferência de calor ou melhorarcoeficientes de transferência de calor. A formação ou texturização podeincluir, entre outros métodos conhecidos a pessoas qualificadas na técnica, ouso de placas onduladas, nervuradas ou aletadas.

O reator 10 também inclui uma entrada de gás 28 a umaelevação baixa, abaixo dos sub-reatores inferiores 16 e uma saída de gás 30 auma elevação alta. A saída de gás 30 está em comunicação de fluxo com umespaço superior 32 no envoltório 12 acima dos sub-reatores superiores 18.

Uma entrada de gás de reciclo 34 conduz a zona intermediária 20 e uma saídade líquido ou lama 36 conduz de abaixo dos sub-reatores inferiores 16.

Os canais 24 de cada sub-reator 14 são alternadamente canaisde lama e canais de esfriamento. Em outras palavras, em uso, os canais 24 deum sub-reator 14 contêm tanto lama, ou água de alimentação de caldeiracomo um meio de transferência de calor ou esfriamento, com a lama e águade alimentação de caldeira estando presentes em sub-canais. Cada sub-reator14 é assim provido com um arranjo de entrada de meio de transferência decalor (não mostrado) e um arranjo de saída de meio de transferência de calor(não mostrado). O arranjo de entrada de meio transferência de calor de umsub-reator 14 em uso alimenta água de alimentação de caldeira em todos oscanais de esfriamento do sub-reator 14, a uma extremidade dele. O arranjo desaída de meio de transferência de calor retira a água de alimentação decaldeira de todos os canais de esfriamento, na outra extremidade do sub-reator14. O fluxo da água de alimentação de caldeira pelos canais de esfriamentopode ser tanto para cima ou abaixo, isto é, concorrente ou contra-corrente emuso para reagentes gasosos e bolhas de produto gasoso subindo pelos canaisde lama.

Os canais de lama são de extremidade aberta. Ao contrário doscanais de lama, os canais de esfriamento têm extremidades superiores einferiores fechadas, mas estão comunicação de fluxo entre si em suasextremidades e com os arranjos de entrada e saída de meio de transferência decalor, em uma construção lembrando trocador de calor de placa.

Na concretização da invenção mostrada nas Figuras 1 e 2, asparedes laterais 26 dos sub-reatores inferiores 16 se estendem para baixo aoenvoltório 12, onde elas são seladas contra o envoltório 12. Em outraspalavras, abaixo dos canais 24 dos sub-reatores inferiores 16, os sub-reatoresinferiores 16 não estão em comunicação de fluxo. A entrada de gás 28 assimalimenta cada um dos sub-reatores inferiores 16 individualmente.Tipicamente, um controlador de fluxo de reagente gasoso (não mostrado) seráprovido para cada um dos sub-reatores inferiores 16. Semelhantemente, asaída de líquido 36 é arranjada para retirar líquido de debaixo de cada um dossub-reatores inferiores 16 individualmente. Tipicamente, um controlador denível de corpo de lama ou leito de lama (não mostrado) está associado comcada um dos sub-reatores superiores 18, para controlar a retirada de líquido oulama dos sub-reatores inferiores 16.

Como pode ser visto na Figura 1 dos desenhos, na zonaintermediária 20, também não há nenhuma comunicação de fluxo de lamahorizontal entre os sub-reatores inferiores 16 ou entre os sub-reatoressuperiores 18, em virtude das paredes laterais 26 de qualquer dos sub-reatoressuperiores ou inferiores 16, 18 formando barreiras no zona intermediária 20.Porém, os sub-reatores inferiores 16 estão em comunicação de fluxo de lamacom os sub-reatores superiores 18 imediatamente acima deles. Em outraspalavras, um sub-reator 14, que é um sub-reator inferior e que estáverticalmente em registro com um sub-reator 14, que é um sub-reatorsuperior, está em comunicação de fluxo com o sub-reator superior.

As paredes laterais 26 dos sub-reatores superiores 18 seestendem para cima no espaço superior 32 para se projetarem para cima,acima de um nível de lama normal indicado por numerai de referência 38.

Como resultado, em suas extremidades superiores, os sub-reatores superiores18 também não estão em comunicação de fluxo de lama horizontal, emboraeles compartilhem o espaço superior comum 32.

A entrada de gás de reciclo 34 alimenta cada sub-reatorsuperior 18 individualmente como mostrado esquematicamente na Figura 1.Se desejado, um controlador de fluxo de gás de reciclo pode ser provido paracada um dos sub-reatores superiores 18. O arranjo da entrada de gás de reciclo34 na Figura 1 é mostrado só esquematicamente. Na prática, como resultadodo fato que cada um dos sub-reatores 14 tipicamente tem pelo menos umaparede lateral 26 enfrentando o envoltório 12, tipicamente é fácil prover cadaum dos sub-reatores superiores 18 com uma entrada de gás de recicloindividual se estendendo pelo envoltório 12. Semelhantemente, para a saídade líquido 36 e a entrada de gás 28, se não for desejado entrar pelo fundo doenvoltório 12, estes arranjos de tubulação podem entrar pelo envoltóriocilíndrico circular 12 como os sub-reatores inferiores 16 também cada um tempelo menos uma parede lateral 26 enfrentando o envoltório 12.

Pelo menos algum dos canais de lama 24 dos sub-reatoressuperiores 18 e dos sub-reatores inferiores 16 são configurados para funcionarcomo canais de tubo descendente. Estes canais são providos a suasextremidades inferiores com um dispositivo de prevenção de gasificação, talcomo um defletor (não mostrado), e/ou em suas extremidades superiores comum desgasificador (não mostrado). Um canal de tubo descendente em um sub-reator superior 16 pode estar localizado diretamente acima ou pode estar emregistro com um canal de tubo descendente de um sub-reator inferior 16. Sedesejado, estes dois canais de tubo descendente também podem estarconectados fisicamente de forma que eles estejam em comunicação de fluxodireta entre si. Ao invés, um canal de tubo descendente em um sub-reatorsuperior 18 pode ser espaçado horizontalmente ou alternado de um canal detubo descendente em um sub-reator inferior 16.

O reator 10 é adequado para muitos processos requerendo umreator de lama trifásico e requerendo transferência de calor para ou da lama.Porém, só um uso, isto é síntese de hidrocarbonetos, será descrito agora.

Em uso, gás de síntese fresco incluindo principalmentemonóxido de carbono e hidrogênio como reagentes gasosos, é alimentado nofundo do reator 10 pela entrada de gás 28. O gás de síntese é alimentadoindividualmente em cada um dos sub-reatores inferiores 16 e é tipicamentedistribuído uniformemente por um sistema de borrifador (não mostrado)dentro de cada um dos sub-reatores inferiores 16. Simultaneamente, um fluxode gás de reciclo (tipicamente esfriado) incluindo tipicamente hidrogênio,monóxido de carbono, metano e dióxido de carbono é retornado ao reator 10pela entrada de gás de reciclo 34. Todo do fluxo de gás de reciclo pode seralimentado nos sub-reatores superiores 18 por meio da entrada de gás dereciclo 34 ou, se desejado, uma porção do fluxo de gás de reciclo pode serretornada ao fundo do reator 10 como mostrado pela linha 34.1 entrando naentrada de gás 28.

Como com o gás de síntese fresco, o gás de reciclo éalimentado a cada um dos sub-reatores superiores 18 individualmente e étipicamente distribuído uniformemente dentro dos sub-reatores superiores 18por meio de um sistema de borrifador (não mostrado) dentro de cada um dossub-reatores superiores 18. Usando a entrada de gás de reciclo 34, é assimpossível permitir a uma porção do gás de reciclo desviar a lama localizada nossub-reatores inferiores 16. Deste modo, a interrupção de gás global no reator10 pode ser reduzida, por esse meio aumentando surpreendentemente acapacidade de reator.

Os reagentes gasosos, incluindo o gás de síntese fresco equalquer gás de reciclo, passam para cima por um corpo de lama 40, queocupa os canais de lama dos sub-reatores superiores e inferiores 18, 16 e quese estende do fundo do reator 10 ao nível 38. O corpo de lama 40 incluipartículas de catalisador de Fischer-Tropsch, tipicamente um catalisadorbaseado em ferro ou cobalto, suspensas em produto líquido. O corpo de lama40 é controlado para ter o nível de lama 38 acima das extremidades superioresabertas dos canais de lama 24 dos sub-reatores superiores 18, mas abaixo dasextremidades superiores das paredes laterais 26 dos sub-reatores superiores18, que se estendem no espaço superior 32.

Quando o gás de síntese borbulha pelo corpo de lama 40, osreagentes gasosos nele reagem cataliticamente e exotermicamente para formarproduto líquido, que assim faz parte do corpo de lama 40. De vez em quando,ou continuamente, fase líquida ou lama incluindo produto líquido é retiradapela saída de líquido 36, com o nível de lama 38 em cada um dos sub-reatoressuperiores 18 assim sendo controlado individualmente. As partículas decatalisador são separadas do produto líquido em um sistema de separaçãointerno ou externo adequado, por exemplo usando filtros (não mostrado). Se osistema de separação estiver localizado externamente ao reator 10, um sistemaadicional (não mostrado) para retornar as partículas de catalisador separadasao reator 10 é então provido.

O gás de alimentação de síntese fresco e o gás de reciclo sãointroduzidos no reator IOa uma taxa suficiente para agitar e suspender todasas partículas de catalisador dentro do reator 10 sem sedimentação. A taxa defluxo de gás será selecionada dependendo da concentração de lama, densidadede catalisador, densidade e viscosidade de meio de suspensão, e tamanho departícula particular usado. Taxas de fluxo de gás adequadas incluem, porexemplo, de cerca de 5 cm/s a cerca de 50 cm/s. Porém, velocidades de gásaté cerca de 85 cm/s foram testadas em colunas de bolhas. O uso develocidades mais altas tem a desvantagem que é acompanhado por umainterrupção de gás mais alta no reator deixando relativamente menos espaçopara acomodar a lama contendo catalisador. Qualquer que seja a taxa de fluxode gás selecionada porém, deveria ser suficiente para evitar sedimentação departícula e aglomeração nos sub-reatores 14.

Alguma lama passa continuamente para baixo pelos canais detubo descendente por esse meio para alcançar redistribuição de partículas decatalisador dentro do corpo de lama 40 e promover redistribuição de caloruniforme ao longo do corpo de lama 40. Como será apreciado, dependendo doarranjo dos canais de tubo descendente nos sub-reatores superiores 18 e seussub-reatores inferiores 16 associados, redistribuição de lama através deregiões se estendendo verticalmente selecionadas do reator 10 é possível.

Cada sub-reator 14 é operado de forma que o leito de lama 40esteja nele em um regime de fluxo heterogêneo ou turbulento agitado e incluiuma fase diluída consistindo em bolhas maiores ascendentes rápidas dereagentes gasosos e produto gasoso que atravessam o corpo de lama 40virtualmente de modo de fluxo tampão e uma fase densa que inclui produtolíquido, partículas de catalisador sólidas e bolhas menores arrastadas dereagentes gasosos e produto gasoso. Por meio do uso dos sub-reatores 14, ocomportamento de fluxo tampão do reator inteiro 10 é promovido, desde quecada sub-reator 14 tem uma relação de aspecto alta de bem mais da relação deaspecto do envoltório 12.

O corpo de lama 40 está presente em canais 24 alternados oude extremidade aberta, em cada sub-reator 14. Água de alimentação decaldeira como meio de esfriamento é circulada pelos canais 24 deextremidade aberta restantes para remover o calor das reações exotérmicas.Como será apreciado, as paredes de divisor 22 provêem grandes áreas desuperfície de transferência de calor para remover calor do corpo de lama 40.

Produtos de hidrocarbonetos leves, tal como um C2o e abaixode fração são retirados do reator 10 pela saída de gás 30 e passados a umaunidade de separação (não mostrada). Tipicamente, a unidade de separaçãoinclui uma série de esfriadores e um separador de vapor-líquido e podeopcionalmente incluir esfriadores e separadores adicionais e possivelmentetambém uma unidade criogênica para remoção de hidrogênio, monóxido decarbono, metano e dióxido de carbônico do C2o e abaixo de fração dehidrocarbonetos. Outras tecnologias de separação tais como unidades demembrana, unidades de adsorção de troca de pressão e/ou unidades para aremoção seletiva de dióxido de carbono, podem ser empregadas. Os gasesseparados incluindo nitrogênio, monóxido de carbono e outros gases sãocomprimidos e reciclados por meio de um compressor (não mostrado) paraprover o fluxo de gás de reciclo. Hidrocarbonetos líquidos condensados eágua de reação são retirados da unidade de separação para processamentoadicional.

E para ser apreciado que, embora o reator 10, como ilustrado,permita o reciclo de gás ao reator 10, não é necessariamente de forma que umfluxo de gás de reciclo será empregado em todas as concretizações.

Na concretização da invenção mostrada nas Figuras 1 e 2,nenhuma comunicação de fluxo de lama é possível entre os sub-reatores 14 namesma elevação. E porém bastante fácil modificar o comportamento de reatorpara obter comunicação de fluxo de lama transversal ou horizontal aelevações selecionadas dentro do reator 10. Assim, por exemplo, removendoou modificando as porções das paredes laterais 26 dos sub-reatores inferiores16 se estendendo para baixo abaixo dos sub-reatores inferiores 16, é possívelpermitir comunicação de fluxo de lama entre os sub-reatores inferiores 16 nofundo do reator 10. De um modo semelhante, comunicação de fluxo de lamaentre os sub-reatores inferiores 16 ou entre os sub-reatores superiores 18também pode ser estabelecida na zona intermediária 20.

Se referindo às Figuras 3 e 4 dos desenhos, outra concretizaçãode um reator de lama trifásico de acordo com a invenção é indicadageralmente por numerai de referência 100. O reator 100 concretiza os mesmosconceitos como o reator IOe assim inclui muitas partes ou características quesão as mesmas ou semelhantes. Estas partes ou características estão indicadaspelos mesmos numerais de referência nas Figuras 3 e 4 como nas Figuras 1 e2, a menos que caso contrário indicado.

No reator 100, as paredes laterais 26 de cada sub-reatordefinem cordas do envoltório 12, como pode ser visto claramente na Figura 4.Em vez de ter paredes de divisor como as paredes de divisor 22 do reator 10,o reator 100, em cada um dos sub-reatores 14, tem uma pluralidade de tubosse estendendo verticalmente 102 arranjados entre placas de tubo superior einferior 104. Entre as paredes laterais 26 e cercando os tubos 102, um espaçode fluxo de meio de transferência de calor (espaço de fluxo de água dealimentação de caldeira) 106 é definido.

O reator 100 é operado de modo semelhante ao reator 10, como corpo de lama 40 ocupando os tubos 102. Na concretização mostrada nasFiguras 3 e 4, como é o caso com o reator 10, não há nenhuma comunicaçãode fluxo de lama permitida, entre sub-reatores inferiores 16 adjacentes, nofundo do reator 100, ou entre sub-reatores superiores 18 adjacentes, acima dossub-reatores superiores 18 no espaço superior 32. Porém, na zonaintermediária 20, comunicação de fluxo de lama entre sub-reatores 14adjacentes é permitida.

Embora não mostrado nas Figuras 3 e 4, pelo menos algunsdos tubos 102 podem ser formados ou texturizados para aumentar sua área desuperfície de transferência de calor ou melhorar coeficientes de transferênciade calor. A formação ou texturização pode incluir, entre outros métodosconhecidos a pessoas qualificadas na técnica, o uso de tubos ondulados,nervurados ou aletados.

Em uso, água de alimentação de caldeira é circulada pelosespaços de fluxo de água de alimentação de caldeira 106, tipicamenteentrando em cada sub-reator 14 a uma baixa elevação e saindo a uma altaelevação.

Como com o reator 10, cada sub-reator 14 do reator 100 podeser provido facilmente com arranjos de tubulação como cada sub-reator 14tem uma parede lateral definida pelo envoltório 12.

E acreditado que os reatores 10, 100, como ilustrado, são deprojetos que reduzem substancialmente o risco de aumento de escala de plantapiloto para escala de planta comercial, exibindo efeitos de macro-misturadependentes de escala reduzidos. Também é acreditado que estes projetos dereator podem ser modelados mais prontamente ou preditos de experimentaçãopermitindo melhores combinações de características de fluxo tampãodesejáveis e características bem misturadas de reagentes e produtos. Projeto eteste de um único sub-reator em uma escala piloto é possível, com aumentoenvolvendo agora somente adicionar sub-reatores. Os projetos de reatorilustrados também provêem altas áreas de superfície de transferência de calore serviços compartilhados tal como filtração através de um sub-reatorutilizável. Estes projetos também permitem 'tubos descendentes' arranjadosverticalmente, reduzindo o efeito prejudicial sobre comportamento de fluxotampão de 'tubos descendentes' atuando através da altura de reator inteira.

Catalisadores também podem ser segregados verticalmente a uma maiorextensão que em projetos de reator da técnica anterior de quais o Requerenteestá ciente. Isto pode ser usado vantajosamente, especificamente paracatalisadores de ferro, para expor menos do catalisador a áreas no reator comalta pressão parcial de água que afeta negativamente a atividade decatalisador, conduzindo a produtividade de reator aumentada.

Claims (22)

1. Método para operar um reator de leito fluidizado bifásico,caracterizado pelo fato de que inclui:alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso emum corpo fluidizado de partículas sólidas se estendendo verticalmente, ocorpo fluidizado estando contido em pelo menos dois eixos se estendendoverticalmente alojados dentro de um envoltório de reator comum, cada eixosendo dividido em uma pluralidade de canais se estendendo verticalmente,pelo menos alguns dos quais estão em comunicação de fluxo e o corpofluidizado estando presente em pelo menos alguns dos canais;permitir ao reagente gasoso reagir quando passaascendentemente pelo corpo fluidizado presente em pelo menos alguns doscanais dos eixos, por esse meio para formar um produto gasoso;permitir ao produto gasoso e/ou reagente gasoso não reagidodesprender do corpo fluidizado em um espaço superior acima do corpofluidizado; eretirar produto gasoso e reagente gasoso não reagido, sepresente, do espaço superior.

2. Método para operar um reator de lama trifásico,caracterizado pelo fato de que inclui:alimentar a um nível baixo pelo menos um reagente gasoso emum corpo de lama de partículas sólidas se estendendo verticalmente suspensasem um líquido de suspensão, o corpo de lama estando contido em pelo menosdois eixos se estendendo verticalmente alojados dentro de um envoltório dereator comum, cada eixo sendo dividido em uma pluralidade de canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão emcomunicação de fluxo de lama e o corpo de lama estando presente em pelomenos alguns dos canais;permitir ao reagente gasoso reagir quando passaascendentemente pelo corpo de lama presente em pelo menos alguns doscanais dos eixos, por esse meio para formar um produto não gasoso e/ougasoso;permitir ao produto gasoso, se presente, e/ou reagente gasosonão reagido desprender do corpo de lama em um espaço superior acima docorpo de lama;retirar produto gasoso, se presente, e/ou reagente gasoso nãoreagido do espaço superior; ese necessário, manter o corpo de lama a um nível desejadoretirando lama ou líquido de suspensão, incluindo produto não gasoso sepresente, ou adicionando lama ou líquido de suspensão.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que os canais de um eixo estão em planos paralelos,e em que um meio de transferência de calor é passado por alguns dos canaisdos eixos.

4. Método de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que os canais estão na forma de tubos se estendendoverticalmente, com os eixos sendo definidos por paredes laterais seestendendo verticalmente dividindo o reator, e em que os canais de um eixosão cercados por meio de transferência de calor.

5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que a comunicação de fluxo de lamaentre canais em um eixo contendo o corpo fluidizado ou de lama só ocorre nasextremidades de topo e/ou fundo de tais canais.

6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que as partículas sólidas são partículasde catalisador para catalisar a reação do reagente gasoso ou reagentes gasososem um produto.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que a reação é síntese de hidrocarbonetos de Fischer-Tropsch.

8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns eixosindividuais, cada um tem uma entrada de reagente gasoso, o método incluindoalimentar o reagente ou reagentes gasosos, ou um gás de reciclo a estes eixosindividuais independentemente da alimentação a outro eixo.

9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos dois dos eixos seestendendo verticalmente são espaçados verticalmente, com uma extremidadesuperior de um eixo inferior estando abaixo de uma extremidade inferior deum eixo superior.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizadopelo fato de que o reator é um reator de lama trifásico, e que inclui permitir alama passar para baixo de um nível alto no corpo de lama no eixo superiorpara um nível inferior de dito eixo superior, e/ou que inclui permitir a lamapassar para baixo de um nível alto no corpo de lama do eixo inferior para umnível inferior de dito eixo inferior.

11. Método de acordo com a reivindicação 9 ou reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que inclui alimentar gás de reciclo a um nívelelevado no reator, de forma que dito gás de reciclo passe somente pelo eixosuperior ou eixos superiores e desvie o eixo inferior ou eixos inferiores.

12. Reator de leito fluidizado bifásico, caracterizado pelo fatode que inclui:um envoltório de reator alojando pelo menos dois sub-reatoresse estendendo verticalmente, cada um definindo uma pluralidade de canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão emcomunicação de fluxo e que definem uma zona de leito fluidizado que, emuso, conterá um corpo fluidizado de partículas sólidas;uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator; euma saída de gás no envoltório de reator para retirar gás de umespaço superior no envoltório de reator acima de um ou mais dos sub-reatores.

13. Reator de lama trifásico, caracterizado pelo fato de queinclui:um envoltório de reator alojando pelo menos dois sub-reatoresse estendendo verticalmente, cada um definindo uma pluralidade de canais seestendendo verticalmente, pelo menos alguns dos quais estão emcomunicação de fluxo de lama e que definem uma zona de lama que, em uso,conterá uma lama de partículas sólidas suspensas em um líquido desuspensão;uma entrada de gás no envoltório de reator para introduzir umreagente gasoso ou reagentes gasosos no reator;uma saída de gás no envoltório de reator para retirar gás de umespaço superior no envoltório de reator acima de um ou mais dos sub-reatores; ese necessário, uma entrada de líquido ou uma saída de líquidopara adicionar ou retirar lama ou líquido de suspensão para ou do reator.

14. Reator de acordo com a reivindicação 12 ou reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que pelo menos alguns dos sub-reatores incluemuma pluralidade de paredes de divisor se estendendo verticalmente, que entreelas definem os canais se estendendo verticalmente.

15. Reator de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de que pelo menos alguns dos canais são canais de fluxo de meio detransferência de calor.

16. Reator de acordo com a reivindicação 12 ou reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que os sub-reatores incluem uma pluralidade detubos se estendendo verticalmente, cada tubo definindo um canal e comdefletores se estendendo verticalmente ou paredes laterais definindo os ladosdos sub-reatores.

17. Reator de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que um espaço de fluxo de meio de transferência de calor édefinido entre os defletores ou paredes laterais de um sub-reator, o espaço defluxo de meio de transferência de calor assim cercando os tubos.

18. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 12a 17 inclusive, caracterizado pelo fato de que inclui um ou mais dos sub-reatores arranjados a um nível inferior no envoltório e um ou mais sub-reatores arranjados a um nível mais alto no envoltório, tal que extremidadesinferiores de canais dos sub-reatores superiores estejam acima deextremidades superiores dos canais dos sub-reatores inferiores.

19. Reator de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que inclui uma zona intermediária entre os sub-reatoressuperiores e os sub-reatores inferiores, dita zona intermediária estando emcomunicação de fluxo com canais de zona de lama ou de leito fluidizado de umsub-reator superior ou sub-reatores superiores e com canais de zona de lama oude leito fluidizado de um sub-reator inferior ou sub-reatores inferiores.

20. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 12a 19 inclusive, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás é arranjada paraalimentar um reagente gasoso ou reagentes gasosos diretamente em pelomenos alguns dos sub-reatores, a baixas elevações nos sub-reatores.

21. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 12a 20 inclusive, caracterizado pelo fato de que cada sub-reator tem um lado seestendendo verticalmente enfrentando o envoltório ou sendo definido peloenvoltório.

22. Reator de acordo com qualquer uma das reivindicações 12a 21 inclusive, caracterizado pelo fato de que comunicação de fluxo de lamaou corpo fluidizado entre extremidades superiores de sub-reatores adjacentes,ou pelo menos extremidades superiores de sub-reatores superiores adjacentes,se presente, é prevenida.