BRPI0618293A2 - reator quìmico isotérmico - Google Patents

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BRPI0618293A2
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BRPI0618293-3A
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Ermanno Filippi
Enrico Rizzi
Mirco Tarozzo
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Methanol Casale Sa
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Abstract

REATOR QUìMICO ISOTéRMICO A presente invenção se refere a um reator isotérmico (1), compreendendo um casco (2) substancialmente cilíndrico, pelo menos um leito catalítico (10) suportado no casco (2) e pelo menos uma unidade trocadora de calor (13) suportada no leito (10), a unidade trocadora de calor (13) compreendendo uma pluralidade de trocadores (14) substancialmente no formato de caixa, de estrutura essencialmente alongada retangular e achatada, cada um dos trocadores (14) apresentando lados longos opostos (14a) paralelos ao eixo do casco cilíndrico (2) e lados curtos opostos (14b, 14c) estendidos de modo perpendicular com relação ao eixo do casco e compreendendo, além disso, uma câmara interna (18), através da qual um fluido operacional de troca de calor é idealizado de circular, em que pelo menos um trocador (14) de tal pelo menos uma unidade trocadora de calor (13) é internamente dotado de uma pluralidade de chicanas de separação (19), que se estendem a partir de um lado curto (14b ou 14c) do trocador para o lado curto oposto (14c ou 14b) do mesmo, em um modelo de espaçamento predeterminado com relação ao lado curto oposto, definindo na dita câmara interna (18) um percurso de fluido substancialmente em ziguezague, tendo porções alternadas ascendentes e descendentes.

Description

"REATOR QUÍMICO ISOTÉRMICO"
Campo de Aplicação
Em seu aspecto mais geral, a presente invenção serefere a um reator químico do tipo que compreende um cascosubstancialmente cilíndrico (ou casco sob pressão), fechadonas extremidades opostas por meio de respectivas bases, umazona reacional no dito casco, na qual pelo menos um leitocatalítico é disposto e uma unidade trocadora de calorimersa no dito leito catalítico.
Tal tipo de reator é particularmente útil pararealização de reações químicas exotérmicas e endotérmicas,conduzidas em condições substancialmente isotérmicas, istoé, condições em que a temperatura da reação é controlada emuma faixa restrita de valores, em torno de um valorpredeterminado ou em torno de uma curva de temperaturapredeterminada.
Na descrição que se segue e nas subseqüentesreivindicações, um reator do tipo acima mencionado éidentificado pelo termo de reator pseudo-isotérmico ou,resumidamente, reator isotérmico.
Mais particularmente, a presente invenção serefere a um reator isotérmico do tipo considerado,internamente estruturado, a fim de permitir aos gasesreagentes e aos produtos reacionais gasosos cruzarem oleito catalítico na direção radial ou axial-radial (comreferência ao eixo do casco cilíndrico do dito reator) ecompreendendo uma unidade trocadora de calor composta deuma pluralidade de placas, substancialmente, trocadores decalor no formato de caixa, definindo uma câmara no seuinterior, através da qual um fluido operacional de troca decalor é idealizado de circular.
Estado da Técnica
Os reatores isotérmicos do tipo indicado acimasão amplamente conhecidos no segmento da técnica. Nessesreatores, a cinética de uma predeterminada reação química,seja exotérmica ou endotérmica, é favorecida pelo fato deque o fluido operacional que cruza a respectiva unidadetrocadora de calor remove ou transfere calor de/para oambiente da reação (leito catalítico), de modo a levar areação para o seu término.
Para uma ótima eficiência de troca de calor comos gases reagentes e com os produtos reacionais gasosos, ofluido operacional de troca de calor, por sua vez, devecruzar cada trocador de calor da unidade trocadora decalor, na direção radial ou substancialmente radial, demodo concorrente ou contracorrente aos ditos gases.
Para tal fim, cada trocador da unidade trocadorade calor apresenta uma estrutura substancialmente noformato de caixa, de conformação essencialmente alongadaretangular e achatada, com longos lados opostos e curtoslados opostos, definindo uma câmara no seu interior,através da qual um fluido operacional de troca de calor éidealizado de circular, sendo ainda dotado de um conduto dedistribuição e um conduto coletor do dito fluidooperacional, dispostos nos seus longos lados opostos. Essescondutos se encontram em um lado, em comunicação fluida coma câmara interna, através de uma pluralidade de aberturasou furos nos condutos, situados ao longo de uma ou maisgeratrizes, e no outro lado, com o exterior do trocador,através de respectivas conexões de entrada e saida doreferido fluido operacional.
A câmara interna da cada trocador pode, por suavez, ser subdividida em uma pluralidade de câmaras, que nãose comunicam diretamente entre si, estendidas em paraleloaos lados curtos do trocador, isto é, de modo perpendicularaos seus condutos distribuidores e coletores. As referidascâmaras se encontram individualmente em comunicação fluidacom o conduto distribuidor e com o conduto coletor, atravésde pelo menos uma das ditas aberturas e são dotadas de umapluralidade de chicanas defletoras que se estendem emparalelo aos condutos coletores e distribuidores, dessaforma, definindo um percurso de fluido de tiposubstancialmente em labirinto, em cada câmara.
Desse modo, o fluido é subdividido dentro de cadatrocador em uma pluralidade de correntes que circulam emparalelo em cada labirinto, na direção radial ou axial-radial, concorrentemente ou em contracorrente com relação àdireção do fluxo de gases reagentes e produtos reacionaisque cruzam o leito catalitico.
Embora vantajosos sob diversos aspectos,particularmente quanto à eficiência da troca de calor, osreatores do tipo acima mencionado apresentam um graveinconveniente correlacionado à dificuldade e custosrelativamente altos de execução dos trocadores de calor e,particularmente, dos condutos distribuidores e coletores.Nesse aspecto, deve ser observado que a fim de conter ofluxo de fluido operacional a ser alimentado erespectivamente removido da câmara interna de cadatrocador, é necessário se produzir os ditos condutos deconsiderável tamanho (de abertura), com conseqüentesproblemas globais de dimensão dos trocadores, gerando umaumento de dificuldade de construção, em particular, naetapa de fabricação dos mesmos, assim como, um aumento deresistência mecânica, em particular, resistência à pressãodos condutos distribuidores e coletores, que resultaconsideravelmente menor, com relação à resistência mecânicada câmara interna dos trocadores.
O tamanho (de abertura) do conduto distribuidore, respectivamente, do conduto coletor, deve ser maior,tanto maior seja o comprimento dos trocadores e, portanto,o fluxo de fluido operacional a ser alimentado erespectivamente removido, irá agravar os inconvenientesacima mencionados.
Resumo da Invenção
O problema técnico que fundamenta a presenteinvenção é aquele de tornar disponível um reator isotérmicodo tipo acima considerado, tendo uma unidade trocadora decalor que é mais simples e mais econômica de ser fabricada,e que, ao mesmo tempo, mantém uma ótima eficiência de trocade calor do fluido operacional com os gases reagentes e comos produtos reacionais gasosos, dessa forma, superando osinconvenientes acima mencionados com referência ao estadoda técnica.
Esse problema é solucionado por um reatorisotérmico que compreende um casco substancialmentecilíndrico, pelo menos um leito catalítico suportado nodito casco e pelo menos uma unidade trocadora de calorsuportada no dito leito, a dita unidade trocadoracompreendendo uma pluralidade de trocadoressubstancialmente no formato de caixa, de estruturaessencialmente alongada retangular e achatada, ditostrocadores apresentando longos lados opostos paralelos aoeixo do casco cilíndrico, e curtos lados opostos estendidosde modo perpendicular com relação ao dito eixo ecompreendendo, além disso, uma câmara interna, através daqual um fluido operacional de troca de calor é idealizadode circular, caracterizado pelo fato de que pelo menos umtrocador da dita pelo menos uma unidade trocadora de caloré internamente dotado de uma pluralidade de chicanas deseparação, que se estendem a partir de um lado curto dotrocador para o lado curto oposto do mesmo, em um modelo deespaçamento predeterminado com relação ao lado curtooposto, definindo na dita câmara interna um percurso defluido substancialmente em ziguezague, tendo porçõesalternadas ascendentes e descendentes.
Vantajosamente, as ditas chicanas de separação seestendem na dita câmara interna do dito pelo menos umtrocador em uma predeterminada distância entre si,compreendida entre 10 mm e 120 mm, preferivelmente, entre20 mm e 60 mm.
A presente invenção se fundamenta nasurpreendente descoberta de que com um reator isotérmicodotado de pelo menos uma unidade trocadora de calor tendotrocadores de calor conforme descrito acima, é mantida umaótima eficiência de troca de calor entre o fluidooperacional e os gases reagentes e os produtos reacionais,ao mesmo tempo em que os custos de fabricação da unidadetrocadora de calor são consideravelmente reduzidos devido amaior simplicidade estrutural dos trocadores de talunidade, não necessitando dos complexos condutosdistribuidores e coletores descritos pelo estado datécnica.
Além disso, graças à presente invenção, se obtémum trocador de calor que apresenta resistência mecânica, emparticular, resistência à pressão, de superfícieinteiramente homogênea, sendo, dessa forma, vantajosamenteusado também em condições de alta diferença de pressãoentre o fluido operacional de troca de calor que circula nodito trocador de calor e os gases reagentes que circulam aolongo do leito catalítico.
Deve ser observado que o disposto acima está emtotal contraste com os ensinamentos constantes do estado datécnica, uma vez que nos trocadores do reator de acordo coma invenção, o fluido operacional de troca de calor circulacom movimento substancialmente axial (ascendente edescendente), ao invés de movimento radial, como requer oestado da técnica, a fim de se obter uma ótima eficiênciade troca de calor.
A principal razão pela qual os ensinamentos do estado da técnica propõem apenas o movimento radial (ouaxial-radial), ao invés do fluxo axial do fluidooperacional de troca de calor nos respectivos trocadores dereator, reside no fato de que o fluxo axial dá surgimento auma faixa de temperatura não-homogênea nas diferentes alturas do leito catalítico, uma vez que o fluidooperacional de troca de calor é submetido a resfriamento(ou aquecimento) ao longo do percurso axial do trocador.Desse modo, a cinétida da reação nao será favorecida, umavez que os gases reagentes e produtos reacionais, ao invés de circularem ao longo do leito catalitico de modo radial,irão por si próprios se encontrar em condições detemperatura consideravelmente diferentes, que depende daaltura do cruzamento radial do leito catalitico.
Entretanto, os inconvenientes acima mencionados são solucionados ou pelo menos acentuadamente reduzidos noreator isotérmico de acordo com a invenção, ao se produziros trocadores de calor da pelo menos uma unidade trocadorade calor com uma pluralidade de chicanas de separação dacorrespondente câmara interna, dessa forma, distribuindo o percurso de fluxo do fluido de troca de calor nostrocadores, ao longo de uma pluralidade de porçõesascendentes e descendentes. Desse modo, é vantajosamenteobservado que as temperaturas medidas nas diferentesalturas do leito catalitico resultam mais homogêneas (istoé, a máxima diferença de temperatura é limitada a algunsgraus centígrados), obtendo-se, assim, uma eficiência detroca de calor que é totalmente comparável àquela dostrocadores anteriormente mencionados do estado da técnica.
De acordo com a invenção, o número de chicanas deseparação em cada trocador (portanto, o número de porçõesascendentes e descendentes do percurso do fluido de trocade calor) pode ser variado de acordo com a necessidade, deacordo com as características da reação exotérmica ouendotérmica a ser cineticamente controlada. Geralmente, onúmero de chicanas de separação aumenta com o aumento dascaracterísticas exotérmicas ou endotérmicas da reação a sercineticamente controlada, obtendo-se, assim, umatemperatura substancialmente homogênea em todo o leitocatalitico.
Adicionais características e vantagens dapresente invenção se tornarão mais claras, a partir dadescrição seguinte de uma modalidade do processo de acordocom a invenção, fornecida como um exemplo indicativo e não-limitativo, fazendo-se referência aos desenhos anexos.
Breve Descrição das Figuras
A figura 1 mostra uma vista em perspectiva emseção parcial de um reator isotérmico radial, incorporandouma unidade trocadora de calor que compreende umapluralidade de trocadores de acordo com a invenção.
A figura 2 mostra, esquematicamente, uma vista deum trocador de calor da unidade trocadora de calor mostradana figura 1.
A figura 3 representa uma seção ao longo da linhaIII-III do trocador de calor mostrado na figura 2.
A figura 4 representa, esquematicamente, umaseção do trocador de calor mostrado na figura 2, ao longoda linha IV-IV da figura 3.
Descrição Detalhada da Invenção
Com referência à figura 1, um reator isotérmico éinteiramente referenciado por (1), compreendendo um cascocilíndrico (2) com eixo vertical, fechado nas extremidadesopostas por meio, respectivamente, de uma base inferior (3)e uma base superior (4) . A base superior (4) éconvencionalmente dotada de uma abertura (6) para a entradade gases reagentes, assim como, de um poço de inspeção (5),enquanto a base inferior (3) é convencionalmente dotada deuma abertura (8) para a descarga dos produtos reacionaisgasosos e uma abertura (7) para a saída do catalisador.
No casco (2), é definida uma zona ou ambiente dereação (9), na qual um leito catalítico (10) éconvencionalmente suportado, apresentando uma conformaçãosubstancialmente cilíndrica e coaxial com o casco (2). 0leito catalítico (10) define com o casco (2) um espaço (11)de largura reduzida e um conduto central (12) estendido nopróprio eixo do casco.
0 leito catalítico (10) é perfurado, a fim depermitir a passagem dos gases reagentes do dito espaço (11)para a dita zona de reação (9) , enquanto o conduto central(12), também permeável ao gás, apresenta sua extremidadesuperior (12a) fechada e extremidade inferior (12b) abertae em comunicação fluida direta com a abertura (8) da base(3) .
O leito catalitico (10) é idealizado de conteruma massa de um apropriado catalisador (não mostrado), naqual uma unidade trocadora de calor inteiramente indicadapor (13) é imersa e suportada de uma maneira conhecida persi.
A dita unidade trocadora de calor (13) apresentauma conformação global cilíndrica, apresentando um diâmetroexterno substancialmente igual ao diâmetro interno do ditoleito catalitico (10) e um metro interno substancialmenteigual ao diâmetro ao diâmetro externo do conduto axial(12) .
Em particular, de acordo com uma modalidadepreferida, mas não-limitativa esquematizada na figura 1, adita unidade trocadora de calor (13) compreende umapluralidade de trocadores de calor (14), uniformementedistribuída numa disposição radial em duas filas coaxiais econcêntricas. Com referência às figuras 2-4, cada trocador(14) apresenta uma estrutura no formato de caixasubstancialmente achatada, de conformação essencialmentealongada retangular. De acordo com a disposição da figura1, na unidade trocadora de calor (13), todos os trocadores(14) são dispostos com lados longos (14a), paralelos aoeixo do casco (2) e lados curtos (14b) e (14c) estendidosde modo perpendicular com relação à mesma.
Mais particularmente, com referência às figuras2-4, os trocadores (14) são individualmente compostos de umpar de placas metálicas justapostas (15, 16), mutuamenteunidas, em um modelo de espaçamento predeterminado, atravésde soldagem periférica (17), de modo que é definida umacâmara (18) entre as mesmas, idealizada de ser atravessadapor um fluido operacional de troca de calor.
De acordo com a presente invenção, no interior dotrocador (14) é provida uma pluralidade de chicanas deseparação consecutivas (19), mutuamente separadas entre sipor uma predeterminada distância, por exemplo, compreendidaentre 30 mm e 40 mm. As chicanas de separação (19) seestendem a partir de um lado curto (14b) ou (14c) dotrocador, na mesma direção que os lados longos (14a), poruma predeterminada extensão, a qual é inferior a dos ladoslongos (14a).
Preferivelmente, cada chicana de separação (19) éobtida por meio de soldagem mútua de duas placas (15) e(16), que formam o dito trocador (14), começando a partirde uma predeterminada posição sobre um de seus lados curtos(14b) ou (14c) e estendida na direção do lado curto oposto(14c) ou (14b), com relação a qual é espaçada em umpredeterminado relacionamento.
Em particular, de acordo com a presente invenção,as chicanas de separação (19) de cada par de chicanas deseparação consecutivas (19) se estendem, respectivamente, apartir dos lados curtos opostos (14b) e (14c), obtendo-se,assim, que cada chicana (19) subdivide a câmara (18) emduas partes contíguas que se comunicam entre si somente naproximidade do lado curto (14b) ou (14c), oposto ao lado(14c) ou (14b), a partir do qual a chicana em si teminício.
Desse modo, o movimento do fluido operacional detroca de calor dentro da câmara (18) de cada trocador (14)segue um percurso substancialmente em ziguezague, com aalternância de porções ascendentes e descendentes em partescontíguas da própria câmara.
No exemplo não-limitativo mostrado nas figuras, otrocador (14) apresenta quatro chicanas de separação (19)eqüidistantes consecutivas, das quais as chicanas deseparação (19) de número ímpar (contando da esquerda para adireita) têm início a partir do lado curto (14b) dotrocador (14), enquanto as chicanas de separação (19) denúmero par têm início a partir do lado curto oposto (14c)do trocador de calor (14).
A câmara (18) do dito trocador de calor (14) é,portanto, subdividida em cinco partes, precisamente, emduas partes periféricas opostas (18a) e (18b) e três partescentrais (18c).
Em conformidade com outra característica dapresente invenção, as partes periféricas (18a) e (18b) dacâmara interna (18) de cada trocador (14) se encontram emcomunicação com o exterior através de uma abertura (20,21), respectivamente, provida no dito trocador (14), no seulado curto (14b) ou (14c), a partir do qual a chicana deseparação (19) se projeta, delimitando a correspondenteparte periférica (18a) ou (18b).
Vantajosamente, nas ditas aberturas (20, 21) sãoengatadas, respectivamente, conexões tubulares (20a, 21a) ,preferivelmente, já durante a fabricação do trocador.
No exemplo mostrado nas figuras 2-4, o trocador(14) apresenta uma abertura de entrada (20) do fluido detroca de calor, formada no lado curto (14b) e emcomunicação com a parte periférica (18a) da câmara interna(18) do trocador (14) e uma abertura de saida (21) dofluido de troca de calor formada no lado curto oposto (14c)e em comunicação com a parte periférica oposta (18b).
Portanto, o percurso em ziguezague do fluido detroca de calor no trocador (14) irá compreender ummovimento descendente a partir da abertura (20), ao longoda parte periférica (18a) da câmara interna (18), seguidode um movimento ascendente, descendente e novamenteascendente, respectivamente, nas partes centrais sucessivas(18c) e, depois, um movimento descendente na parteperiférica oposta (18b), a partir da qual o fluido de trocade calor pode sair do trocador (14) através da abertura desaida (21).
Quando instalados para formar a acima mencionadaunidade trocadora de calor (13) da presente invenção, nadisposição descrita acima (figura 1), os trocadores (14)apresentam longos lados verticais (14a) e curtos ladoshorizontais (14b, 14c), estendidos radialmente no casco(2); em particular, o lado (14b) com a correlata abertura(20) forma o lado superior de cada trocador (14), enquantoo lado (14c) com a abertura correlata (21) forma o ladoinferior de cada trocador (14).
Para cada fila de trocadores (14) alinhadosradialmente, é provido um conduto (22) paraalimentação/distribuição de um fluido operacional de trocade calor. Os trocadores (14), portanto, se encontram emcomunicação fluida com um conduto coletor (23) de coleta edescarga do dito fluido. 0 conduto (22) é conectado aconexões tubulares (20a) dos ditos trocadores (14) por meiode condutos (22a), enquanto o conduto (23) é conectado aosconectores (21a) dos trocadores por meio de condutos (23a) .
O conduto de alimentação (22) atravessa o casco(2) a fim de ser conectado, exteriormente ao mesmo, a umafonte não mostrada do dito fluido operacional (por exemplo,composto de água em ebulição, sais fundidos ou elementossimilares).
O conduto coletor (23), de maneira análoga aoconduto de alimentação (22), é engatado ao casco (2), paraser conectado para diferentes usos exteriormente ao reator.
O engate dos condutos (22) e (23) no casco (2) éobtido mediante uso de adequados bocais (24) e (25),respectivamente. No exemplo da figura 1, os bocais (24) sãoprovidos na base superior (4), enquanto o bocal (25) éprovido no casco (2) em uma altura mais baixa que a doslados inferiores (14c) dos trocadores (14) .
De acordo com uma modalidade alternativa dapresente invenção, apenas representada nas figuras 2 e 4,pelo menos uma conexão tubular (26a) está associada compelo menos um trocador de calor (14), a fim de promover aalimentação de um fluxo adicional de fluido operacional detroca de calor. A conexão tubular (26a), por sua vez, se encontra em comunicação fluida (de uma maneira conhecidaper si e, portanto, não mostrada) com o conduto dealimentação/distribuição (22). Vantajosamente, a conexãotubular (26a) está engatada na correspondente abertura(26), definida em pelo menos um dos lados curtos (14b) ou(14c) do dito trocador de calor (14) e disposta em umaposição intermediária entre os ditos longos lados (14a). Emparticular, conforme indicado no exemplo das figuras 2 e 4,a abertura (26) é preferivelmente disposta sobre o ladocurto superior (14b), em comunicação fluida com a câmara (18) do trocador (14), entre a primeira e a segunda partecentral (18c). Em outras palavras, no espaço do lado curtosuperior (14b), definido entre as chicanas de número imparque têm inicio a partir desse lado.
Desse modo, o coeficiente de troca de calor do trocador de calor (14) é vantajosamente aperfeiçoado eaumentado, uma vez que, graças à alimentação intermediáriade fluido operacional de troca de calor "fresco", épossível se controlar ou regular a temperatura do fluidooperacional de troca de calor que circula no interior dodito trocador.
A invenção desse modo concebida é suscetível aoutras alternativas e modificações, todas elas dentro dacapacitação de um especialista versado na técnica e, comotal, se enquadrando dentro do escopo de proteção da própriainvenção, conforme definida pelas reivindicaçõesapresentadas em anexo.
Por exemplo, é obviamente possível se dispor asaberturas (20) e (21) dos trocadores de calor (14) noslongos lados opostos (14a), em um nível próximo oucoincidente com aquele do lado curto superior (14b) e ladocurto inferior (14c), respectivamente.
Além disso, também é possível se proporcionar umconduto de alimentação/distribuição separado e independentedo fluido operacional de troca de calor, associado com aconexão tubular (26a).

Claims (4)

1. Reator isotérmico (1), compreendendo um casco(2) substancialmente cilíndrico, pelo menos um leitocatalitico (10) suportado no dito casco (2) e pelo menosuma unidade trocadora de calor (13) suportada no dito leito(10) , a dita unidade trocadora de calor (13) compreendendouma pluralidade de trocadores (14) substancialmente noformato de caixa, de estrutura essencialmente alongadaretangular e achatada, ditos trocadores (14) apresentandolados longos opostos (14a) paralelos ao eixo do cascocilíndrico e lados curtos opostos (14b, 14c) estendidos demodo perpendicular com relação ao dito eixo ecompreendendo, além disso, uma câmara interna (18), atravésda qual um fluido operacional de troca de calor éidealizado de circular, caracterizado pelo fato de que pelomenos um trocador (14) da dita pelo menos uma unidadetrocadora de calor (13) é internamente dotado de umapluralidade de chicanas de separação (19), que se estendema partir de um lado curto (14b ou 14c) do trocador para olado curto oposto (14c ou 14b) do mesmo, em um modelo deespaçamento predeterminado com relação ao lado curtooposto, definindo na dita câmara interna (18) um percursode fluido substancialmente em ziguezague, tendo porçõesalternadas ascendentes e descendentes.
2. Reator isotérmico, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as ditaschicanas de separação (19) se estendem na dita câmarainterna (18) do dito pelo menos um trocador (14) em umapredeterminada distância entre si, compreendida entre 10 mme 120 mm.
3. Reator isotérmico, de acordo com areivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a ditapredeterminada distância entre as chicanas de separaçãoadjacentes (19) é compreendida entre 20 mm e 60 mm.
4. Reator isotérmico, de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito pelomenos um trocador (14) da dita pelo menos uma unidadetrocadora de calor (13) está associado com pelo menos umaconexão tubular (26a) para a alimentação no dito pelo menosum trocador (14) através de uma correspondente abertura(26) de um adicional fluido operacional de troca de calor,a dita abertura (26) sendo definida em pelo menos um dosditos lados curtos opostos (14b, 14c) numa posiçãointermediária entre os ditos lados longos opostos (14a) dodito trocador de calor (14).
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