BRPI0809348A2 - Dispositivo de mistura para dois gases/vapores, e, processo para misturar dois gases/vapores - Google Patents
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Description
“DISPOSITIVO DE MISTURA PARA DOIS GASES/VAPORES, E, PROCESSO PARA MISTURAR DOIS GASES/VAPORES”
A presente invenção refere-se a uma dispositivo de mistura de baixa queda de pressão e seu uso na mistura de dois gases/vapores.
Mais especificamente, a presente invenção refere-se a um dispositivo de mistura de baixa queda de pressão e a seu uso na mistura de etilbenzeno e vapor em uma alta temperatura em unidades de produção de estireno.
Como é sabido, o monômero de estireno é principalmente produzido pela desidrogenação de etilbenzeno em uma alta temperatura em um leito fixo de um catalisador sólido baseado principalmente em óxidos de ferro. Antes de entrar no leito catalítico, o etilbenzeno é misturado com vapor em alta temperatura, a fim de melhorar a produção e a seletividade de reação. O vapor tem a finalidade de mover o equilíbrio da reação em direção ao estireno, aquecer a massa reagente e manter o catalisador limpo de precipitados carbonáceos, pela formação de gás de água com o último.
Por estas razões, é de importância fundamental que a mistura entre os dois gases (etilbenzeno e vapor) seja tão completa quanto possível. Uma má mistura, que provoca uma concentração e temperatura não homogêneas na corrente de gás na entrada do reator, reduz a produção e seletividade do processo devido à formação de produtos indesejados e também acelera a taxa de envelhecimento do catalisador.
Além disso, a fim de reduzir os custos do consumo de energia e investimento do equipamento a montante, é necessário que a mistura entre etilbenzeno e o vapor ocorra com uma queda de pressão que seja tão baixa quanto possível.
Os misturadores para as plantas de monômero de estireno são normalmente estruturadas como segue. Um dos dois gases (A) é usado como corrente principal e passado para dentro de uma câmara, de cujas paredes o segundo gás (B) é injetado. A turbulência (com frequência aumentada por meio de promotores adequados) e a forma alongada da câmara permitem que os dois gases misturem-se. No final da câmara há um misturador estático para aumentar mais a homogeneidade. Pode ser dito que este método de mistura 5 substancialmente explora a difusão turbulenta na escala do diâmetro total do equipamento.
Alguns dispositivos de mistura são conhecidos na literatura vide, por exemplo, pedido de patente internacional WO 01/97960 ou patentes Européias EP 303.438 e EP 1.180.393 - compreendendo feixes de tubos 10 perfurados, usados para misturar fluidos, a serem subsequentemente enviados para uma área de reação, por exemplo, um leito catalítico. Os tipos de misturadores propostos, entretanto, sob as condições de baixa queda de pressão dentro do único tubo, não asseguram distribuição uniforme do fluxo entre os vários tubos do feixe e, portanto, não permitem que um alto grau de 15 mistura seja obtido, com baixo consumo de energia.
O Requerente verificou agora um novo tipo de misturador para gases, que representa uma alternativa para os modelos industriais usados em plantas de estireno ou aquelas da arte conhecida, que permite que uma boa mistura seja obtida por meio de uma solução mais compacta e econômica, 20 com muito baixas quedas de pressão, sem necessidade de beneficiar-se de um misturador estático a jusante. Portanto, este novo misturador é também facilmente adaptável para a desobstrução das plantas existentes, onde é desejável melhorar a mistura, mas não há grande espaço disponível.
Um objetivo da presente invenção, portanto, refere-se a um dispositivo de mistura para dois gases/vapores (a seguir gases) compreendendo:
a. uma pluralidade de tubos em um feixe, cada um equipado, em sua parte inicial, com uma pluralidade de furos laterais;
b. um primeiro sistema de alimentação de um dos dois gases compreendendo um primeiro corpo tubular situado na entrada dos tubos; e
c. um segundo sistema de alimentação do segundo gás, compreendendo um segundo corpo tubular que envolve, em uma maneira a prova de gás, o feixe de tubos e pelo menos parte do primeiro corpo tubular;
caracterizado pelo fato de:
d. o primeiro sistema de alimentação de um dos dois gases compreender uma pluralidade de aletas, dentro do primeiro corpo tubular, que permitem uma distribuição uniforme do gás de alimentação para o tubo único.
De acordo com o dispositivo de mistura, objeto da presente invenção, os tubos do feixe são produzidos de aço ou outra liga metálica, por exemplo, liga de níquel. Eles são cilindricamente conformados ou preferivelmente cônicos, divergindo da entrada em direção à saída, seu comprimento varia de 0,5 a 3 metros e o diâmetro médio interno varia de 5 a cm. Os tubos do feixe são dispostos paralelos entre si ou, preferivelmente, divergindo em direção à saída do feixe.
A parte inicial de cada tubo, por exemplo, de 10 a 50% de seu comprimento total, contém uma pluralidade de tubos, cada um variando de 5 a 50 cm2, preferivelmente de 10 a 30 cm2. O eixo geométrico dos furos pode ser perpendicular ao eixo geométrico relativo ou pode formar um ângulo com o último, preferivelmente variando de 30 a 60°.
O feixe de tubos é geralmente contido entre duas folhas de tubo de entrada e de saída perfuradas, preferivelmente feitas do mesmo material que o do feixe de tubos. Estas folhas de tubo podem ter um formato circular plano ou ser na forma de uma tampa esférica e cada um dos furos é adequado para conter cada um dos tubos do feixe.
O primeiro sistema de alimentação compreende um primeiro corpo tubular ou elemento, dentro do qual um dos dois gases a ser misturado é alimentado, que é acoplado e fixado por vedação à folha de tubo, na entrada do feixe de tubo.
O segundo sistema de alimentação compreende um segundo corpo ou elemento tubular, dentro do qual o outro dos dois gases a serem misturados é alimentado, que envolve em uma maneira a prova de gás o feixe de tubos, na folha de tubos de saída.
Os dois corpos tubulares podem ser coaxiais. Neste caso, o segundo corpo tubular engloba totalmente tanto o feixe de tubo como o primeiro corpo tubular.
Alternativamente, o eixo geométrico do primeiro elemento tubular pode formar um ângulo α com o eixo geométrico do segundo elemento tubular, variando de 0 a 90°, ou de -90 a 0°, dependendo de se a projeção no plano horizontal do primeiro elemento tubular é à esquerda ou à 15 direita da projeção do segundo elemento tubular. Neste caso, o segundo corpo tubular engloba completamente o feixe de tubo e somente parcialmente o primeiro corpo tubular.
O primeiro sistema de alimentação do um dos dois gases garante um fluxo uniforme deste gás entre todos os tubos de feixe, mantendo baixas quedas de pressão. Este resultado é obtido graças à presença de uma pluralidade de aletas, adequadamente conformadas, arranjadas em uma seção transversal, dentro do primeiro corpo tubular.
O número de aletas varia de 4 a 15.
Em particular, ditas aletas consistem de placas finas, 25 conformadas em arco, com o ângulo central β variando de 0 a α + 10°, quando α varia de 0 a 90°, ou o correspondente simétrico, quando α é entre -90 e 0o. Neste caso, a seção transversal do arranjo das aletas é aquela que substancialmente passa através do ponto onde os dois eixos geométricos dos dois corpos tubulares de encontram. Quando α for zero (os dois corpos tubulares são coaxiais) β é também igual a zero.
O segundo corpo tubular forma um invólucro fechado que envolve em uma maneira a prova de gás o feixe de tubos e as duas folhas de tubo e, pelo menos parcialmente, o primeiro corpo tubular. Um dos dois gases a serem misturados com o outro é carregado dentro do invólucro fechado, através de uma seção de alimentação. A pressão dentro do invólucro é mantida mais elevada do que aquela presente dentro dos tubos, de modo que o gás do invólucro flui pra dentro dos tubos através dos furos laterais.
Graças a este mecanismo de subdivisão e recombinação, uma espécie de pré-mistura das duas correntes gasosas é criada em uma grande escala e isto permite a mistura dos dois gases ser completada dentro das câmaras tendo reduzidas dimensões. Estas câmaras de mistura reduzidas são a parte dos tubos a jusante das partes perfuradas, onde, graças à difusividade turbulenta na escala reduzida do diâmetro de tubo, a precisa mistura dos dois gases é obtida e, graças ao comprimento reduzido, ao possível formato cônico e à orientação dos furos, as quedas de pressão são muito baixas.
Um processo para a mistura de dois gases/vapores (a seguir gases) representa mais um objetivo da presente invenção, compreendendo:
i. arranjar um feixe de tubos com uma seção cilíndrica ou, preferivelmente, seção cônica, equipados com uma pluralidade de furos laterais em sua parte inicial, em um invólucro vedado com uma seção de alimentação de um dos dois gases;
ii. alimentar ininterruptamente para dentro de cada tubo o segundo dos dois gases, através de um sistema de alimentação incluindo um corpo tubular e, em seu interior, uma pluralidade de aletas direcionais, que permitem a distribuição uniforme da corrente de dito segundo gás dentro dos tubos únicos;
iii. alimentar ininterruptamente dito primeiro gás dentro do invólucro fechado, através da seção de alimentação; e iv. manter uma pressão de gás dentro do invólucro fechado, que é de modo a permitir que dito primeiro gás flua dentro de ditos tubos através dos furos laterais.
De acordo com o processo, assunto da presente invenção, no caso da produção de estireno, um dos gases consiste de vapor em uma temperatura variando de 550 a 900 0C, preferivelmente de 650 a 850 0C, e o outro gás é etilbenzeno, pré-aquecido a 400 - 600 0C, preferivelmente entre 450 e 550 0C.
Na saída das câmaras de mistura, os dois gases perfeitamente misturados são descarregados diretamente para dentro do reator de desidrogenação, que opera sob condições operacionais convencionais.
A presente invenção é agora ilustrada, para fins exemplificativos e não limitativos, através da seguinte forma de realização, que se refere à figura incluída.
Na figura, (1) representa o feixe de tubo consistindo de uma pluralidade de tubos divergentes (2) mantidos montados por meio das duas folhas de tubo de entrada (3) e de saída (4). Cada tubo tem, em sua parte inicial, uma pluralidade de furos (5).
O primeiro corpo tubular (6) é conectado às folhas de tubo (3), enquanto que o segundo corpo tubular (7) envolve de uma maneira a prova de gás as folhas de tubo de saída (4). Os eixos geométricos dos corpos formam um ângulo α de cerca de 45°. As aletas de direção (8) são situadas na seção transversal do primeiro corpo tubular, na interseção dos dois eixos geométricos.
O funcionamento do dispositivo de mistura, assunto da presente invenção, é evidente pelo esquema incluído e a descrição anexa.
Um gás é alimentado ao primeiro corpo tubular (6), por exemplo, vapor, em uma alta temperatura, através da seção de alimentação A. Outro gás é alimentado para o segundo corpo tubular (7), por exemplo, etilbenzeno, em uma alta temperatura, através da seção de alimentação B.
O vapor é uniformemente distribuído dentro dos tubos de mistura (2), graças às aletas direcionais (8), que permitem uma distribuição homogênea do vapor em cada tubo do misturador.
O etilbenzeno é alimentado ao segundo corpo tubular em uma pressão ligeiramente mais elevada do que aquela da alimentação de vapor, de modo que ele penetra dentro dos tubos de mistura através dos furos (5). O etilbenzeno é arrastado pelo vapor dentro dos tubos, onde, graças à 10 difusividade turbulenta em uma escala reduzida do diâmetro de tubo, é obtida mistura precisa dos dois gases.
A mistura de gás é descarregada através da seção de saída C e alimentada ao reator de reação (não mostrado).
EXEMPLO
Um feixe de 100 tubos, cada um tendo uma seção longitudinal
cônica (1), com um comprimento de 1,2 m, um diâmetro médio interno de 10 cm, é inserido em um corpo tubular ou invólucro fechado (7) de 8 m3. A parte inicial de cada tubo, 50 cm de comprimento, contém 10 furos (5), cada um com 15 cm , homogeneamente distribuídos na superfície da parte inicial do tubo (2).
Vapor de água é alimentado a 700 0C dentro dos tubos por meio da seção de alimentação (A) de um corpo tubular (6) situado em um lado do misturador. Etilbenzeno é carregado, em uma temperatura de 500 0C, por meio de uma seção de alimentação (B) posicionada no invólucro (7), uma pressão de etilbenzeno de 0,08 MPa sendo mantida dentro do invólucro.
Uma mistura gasosa é descarregada na saída dos tubos (C), que é diretamente alimentada a um reator de desidrogenação operando sob as seguintes condições:
Catalisador: óxidos de ferro, óxidos de potássio; Temperatura: 600 0C;
Pressão: 0,06 MPa;
Relação de vapor/etilbenzeno: 1,45; LHSV: 0,95 h'1.
Uma vazão de 23500 kg/h de estireno com uma seletividade de 95,3%, é obtida na saída do reator de desidrogenação.
As mesmas vazões de vapor e etilbenzeno, substancialmente sob as mesmas condições termodinâmicas mencionadas acima, são alimentadas a um misturador tradicional, consistindo de um único tubo, 1,5 m de comprimento, com um diâmetro interno de 200 cm, equipado com uma entrada lateral.
O vapor é alimentado à entrada principal do tubo, enquanto que o etilbenzeno é alimentado pela entrada lateral.
Na extremidade do tubo é instalado um misturador estático consistindo de 4 camadas de mistura, cada uma com 0,60 m de altura (para um total de 2,4 m) e com um diâmetro de 210 cm. A mistura assim obtida é alimentada ao reator de desidrogenação, que opera sob as mesmas condições indicadas acima.
23.500 kg/h de estireno são obtidos, com uma seletividade de 94,4% (com um consumo mais elevado de etilbenzeno de cerca de 10 kg para 20 cada 0,907 t de estireno produzido) ou, com uma condição de realização alternativa, é possível obterem-se 23500 kg/h de estireno, com uma seletividade de 95,3%, porém um consumo de vapor adicional de cerca de 5000 kg/h.
Claims (13)
1. Dispositivo de mistura para dois gases/vapores (a seguir gases) compreendendo: a. uma pluralidade de tubos dispostos em um feixe, cada um provido, em sua parte inicial, com uma pluralidade de furos laterais; b. um primeiro sistema de alimentação de um dos dois gases, compreendendo um primeiro corpo tubular situado no lado de entrada dos tubos; e c. um segundo sistema de alimentação do outro gás compreendendo um segundo corpo tubular que envolve em uma maneira a prova de gás o feixe de tubo e pelo menos uma parte do primeiro corpo tubular; caracterizado pelo fato de que d. o primeiro sistema de alimentação de um dos gases compreendendo uma pluralidade de aletas, dentro do primeiro corpo tubular, que permite uma distribuição uniforme do gás de alimentação aos tubos únicos.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de os tubos do feixe de tubo serem cônicos, divergindo da entrada em direção à saída.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a pluralidade de furos estar presente na parte inicial de cada tubo do feixe de tubos, variando de cerca de 10 a 50% do comprimento total.
4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de todos os furos dos tubos do feixe de tubos ter superfície variando de 5 a 50 cm .
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de o eixo geométrico dos furos ser perpendicular ao eixo geométrico do tubo relativo, ou forma um ângulo com o último variando de 30 a 60°.
6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o feixe de tubo ser contido entre duas folhas de tubo de entrada e de saída.
7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o primeiro sistema de alimentação compreender um primeiro corpo tubular, que é acoplado e fixado por vedação à folha de tubo na entrada do feixe de tubos.
8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o segundo sistema de alimentação compreender um segundo corpo tubular, que envolve em uma maneira a prova de gás o feixe de tubos na folha de tubo de saída, a fim de englobar dito feixe de tubos e o primeiro corpo tubular.
9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de o primeiro corpo tubular e o segundo corpo tubular serem coaxiais.
10. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado pelo fato de o eixo geométrico do primeiro corpo tubular formar, com o eixo geométrico do segundo corpo tubular, um ângulo α variando de 0 a 90° ou de -90 a 0o.
11. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de as aletas do primeiro sistema de alimentação consistirem de placas conformadas em arco finas, com um ângulo β central variando de 0 a α + 10o, quando α variar de 0 a 90°, ou do simétrico correspondente, quando α variar de -90 a 0o.
12. Processo para misturar dois gases/vapores (a seguir gases), caracterizado pelo fato de compreender: i. arranjar um feixe de tubos tendo uma seção cilíndrica ou, preferivelmente, uma seção cônica, equipados com uma pluralidade de furos laterais em sua parte inicial, em um invólucro vedado com uma seção de alimentação de um dos dois gases; ii. alimentar continuamente, dentro de cada tubo, o segundo dos dois gases através de um sistema de alimentação incluindo um corpo tubular e, em seu interior, uma pluralidade de aletas direcionais, que permitem a distribuição uniforme da corrente de dito segundo gás dentro dos tubos únicos; iii. alimentar continuamente dito primeiro gás dentro do invólucro fechado, através da seção de alimentação; e iv. manter, dentro do invólucro fechado, uma pressão do gás que seja de modo a permitir que dito primeiro gás flua para dentro de ditos tubos, através dos furos laterais.
13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de um dos dois gases ser vapor em uma temperatura variando de 550 a 900 0C, enquanto que o outro gás é etilbenzeno pré-aquecido a 400 - 600 0C.
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