BRPI0906447B1 - Método de preparar metanol, e, reator de metanol para uso no mesmo - Google Patents

Método de preparar metanol, e, reator de metanol para uso no mesmo Download PDF

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Abstract

método de preparar metanol, e, reator de metanol para uso no mesmo. projeto aperfeiçoado de uni método catalítico e reator para a produção de metanol em condições de equilíbrio através do qual o metanol à medida que ele é formado é separado a partir da fase gasosa para a fase liquida dentro do reator sem reduzir a atividade catalítica do catalisador de metanol. isto é obtido por ajuste do ponto de ebulição ou temperatura de um agente de resfriamento líquido estando em contato indireto com as partículas de catalisador e provendo uma relação específica de volume de leito de catalisador para área de superfície de resfriamento. assim, condensação de metanol à medida que ele é formado na fase gasosa ocorre na maior parte na superfície de resfriamento disposta, distribuída uniformemente dentro do reator e se de todo, dentro de uma região muito limitada do leito de catalisador.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se à produção industrial de metanol por conversão de um gás de síntese contendo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono na presença de um catalisador de síntese de metanol.
A invenção é em particular um método e um reator para melhorar a produção de metanol com relação à limitação de equilíbrio, e assim reduzir ou eliminar a recirculação de gás de síntese por separação in situ de metanol à medida que ele é produzido a partir do gás de síntese.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A preparação de metanol é baseada nas seguintes três reações de equilíbrio:
Figure img0001
Devido ao equilíbrio somente uma fração do gás de síntese é convertida em metanol e a parte restante do gás de síntese precisa ser reciclada. A separação in situ de metanol a partir de gás de síntese é descrita na patente US No. 4.731.387. Em um reator de fluxo de gotejamento de sólido gasoso o metanol é removido por um material de absorção e assim a condição de equilíbrio melhora. Após por passado o reator, o metanol é dessorvido do material de absorção e o material de absorção é reciclado para a entrada do reator. Os inconvenientes deste sistema estão na complexidade do sistema, que resulta em dificuldades operacionais e um custo de investimento maior.
Outro modo de superar as limitações de equilíbrio é descrito na patente US No. 5.262.443, onde o reator catalítico é operado a uma temperatura e pressão onde uma parte do metanol produzido condensa no leito catalítico. Ao aplicar a invenção, é possível reduzir ou eliminar o reciclo oneroso do gás de síntese. Existem, no entanto, dois inconvenientes ao operar deste modo.
A fim de operar abaixo do ponto de orvalho do gás, a temperatura do catalisador precisa ser reduzida abaixo do nível ótimo de temperatura para a reação catalítica. A menor temperatura resulta em uma menor atividade, o que aumenta o volume de catalisador necessário e o custo do reator.
O segundo problema envolve a condensação de metanol no catalisador poroso. O gás de síntese precisa difundir dentro do catalisador através do sistema de poros para iniciar a reação catalítica. Se os poros são cheios com metanol, a taxa de difusão e a atividade catalítica são severamente reduzidas.
Estes dois problemas reduzem a atividade do catalisador várias vezes comparada com a atividade obtida com o processo de síntese de metanol convencional. Como uma conseqüência da atividade reduzida, o reator de condensação precisa ser aumentado resultando em reatores mais caros do que os reatores convencionais com reciclo de gás de síntese.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção provê, em geral, um projeto melhorado de um reator e método catalítico para a produção de metanol em condições de equilíbrio, pelo que metanol à medida que é formado é separado da fase gasosa dentro da fase liquida dentro do reator, sem reduzir a atividade catalítica do catalisador de metanol. Isto é obtido por ajuste da temperatura do agente de resfriamento líquido estando em contato indireto com as partículas de catalisador e provendo uma relação específica de volume de leito de catalisador para área de superfície de resfriamento. Assim, a condensação de metanol à medida que ele é formado na fase gasosa ocorre na maior parte na superfície de resfriamento disposta, distribuída uniformemente dentro do reator e se de todo, dentro de uma região muito limitada do leito de catalisador.
Mais particularmente, a invenção provê um método para a preparação de metanol compreendendo as etapas de reagir um gás de síntese contendo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfriadas com um agente de resfriamento, e condensar metanol à medida que ele é formado sobre uma superfície de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfriamento para obter um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfriamento entre 60°C e170°C, e manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superfície de resfriamento (ACOOL) no ponto de ebulição do agente de resfriamento em tal modo que a relação do volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para a área da superfície de resfriamento (ACOOL) está entre 0,0125m e 0,125m.
Um outro método da invenção para a preparação de metanol compreende as etapas de reagir um gás de síntese com hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfriadas com um agente de resfriamento, e condensar metanol à medida que ele é preparado sobre uma superfície de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfriamento para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfriamento entre 60°C e 170°C, e manter a temperatura do catalisador acima do ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superfície de resfriamento (ACOOL) de tal modo que a relação (Z) de volume de massa de catalisador assentado para produto de área da superficie de resfriamento (ACCOL) e diâmetro 5 equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio das seguintes equações: DEQi = (6* (volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [nr'] / 3,14)0,33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho, ou
Figure img0002
onde w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
Em uma forma de realização preferida da invenção, temperatura das partículas de catalisador de metanol é mantida acima do is ponto de orvalho do metanol por um agente de aquecimento incluindo água pressurizada com um ponto de ebulição entre 220°C e 280°C, vapor com um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C ou uma mistura dos mesmos, o agente de aquecimento sendo passado através de um meio de aquecimento interno tendo uma área de superfície de modo que a relação da superfície de meio de 20 aquecimento para a superfície da área de resfriamento (ACOOL) está entre 0,3 e 3,0.
Outras formas de realização do método inventivo são descritas nas reivindicações 12-16.
A invenção provê além disso um reator de metanol sendo 2 5 utilizável no método de acordo com a invenção.
Em um aspecto da invenção, um reator de metanol compreende dentro de um envoltório comum um leito fixo de partículas de catalisador de metanol e meio de resfriamento adaptado para indiretamente resfriar um gás de síntese de metanol com um agente de resfriamento, em que a relação de volume de massa de catalisador assentado para área de superfície de resfriamento (VCAT / ACOOL) do meio de resfriamento está entre 0,0125m e 0,125m em um ponto de ebulição do agente de resfriamento de entre 60°C e 170°C.
Em um outro aspecto da invenção, o reator de metanol compreende dentro de um envoltório comum um leito fixo de um catalisador de metanol e meio de resfriamento adaptado para indiretamente resfriar um gás de síntese de metanol com um agente de resfriamento, em que a relação (Z) de volume de massa do catalisador para produto de multiplicação de área da superfície de resfriamento com diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30 em um ponto de ebulição do agente de resfriamento de entre 60°C e 170°C, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio da seguinte equação: DEQ] = (6* (volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [m3]/3,14)0’33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho e com partículas de catalisador de diferente tamanho por meio da seguinte equação:
Figure img0003
onde w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
Uma forma de realização preferida dos reatores inventivos acima descritos compreende, além disso, dentro do envoltório comum, meio de aquecimento adaptado para indiretamente manter temperatura do catalisador de metanol acima do ponto de orvalho do metanol com um agente de aquecimento, em que a relação de superfície da superfície do meio de aquecimento para o meio de resfriamento está entre 0,3 e 3,0.
Outras formas de realização da invenção estão de acordo com as reivindicações 17 -22.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Em geral, o tipo de reator para uso na invenção é da maior importância. O ponto dc ebulição ou temperatura requeridos do agente de resfriamento líquido será igual para qualquer um dos tipos de reator e o volume de catalisador para área de superficie de resfriamento será idêntico. Os reatores de metanol mais utilizáveis são reatores resfriados ou de vapores ascendentes ou aquecendo o agente de resfriamento de líquido pressurizado.
A “temperatura” do agente de resfriamento líquido é a temperatura média definida como a temperatura do agente de resfriamento após ter recebido metade do calor transferido total.
Os três principais tipos de reator de metanol são:
Reator tipo 1, onde gás de síntese entra no topo do leito catalítico e o leito de catalisador é indiretamente circundado pelo agente de resfriamento líquido e o gás dc síntese e metanol líquido condensado se movimenta concorrentemente descendentemente. Um exemplo de tal reator é mostrado nos desenhos na Figura 8.
Reator tipo 2, onde gás de síntese entra no topo do leito catalítico e o agente de resfriamento líquido é indiretamente circundado pelo leito de catalisador, e o gás de síntese e líquido condensado se movimenta concorrentemente descendentemente. Um exemplo de tal reator é mostrado na figura 9.
Reator tipo 3, onde gás de síntese entra perpendicular ao eixo do reator cilíndrico e o agente de resfriamento líquido é indiretamente circundado pelo leito de catalisador e o gás de síntese e metanol líquido condensado passam em um modo radial através do reator. Um exemplo de tal reator é mostrado na figura 11.
O termo “indiretamente circundado” mencionado acima e no seguinte refere-se ao princípio comumente conhecido de troca de calor indireta, em que um agente de resfriamento ou aquecimento está em contato térmico indireto com outro fluido sendo separado do agente de resfriamento / aquecimento por uma superfície de transferência de calor, na forma de por exemplo uma parede de um tubo ou uma placa de um trocador de calor.
A fim de obter condensação de metanol à medida que ele é formado no leito de catalisador, que ocorre substancialmente em uma superfície de resfriamento de acordo com a invenção, duas medidas contraditórias precisam ser atendidas: 1. Ter uma temperatura sufícientemente elevada no leito de catalisador, o fluxo térmico precisa ser pequeno. Isto pode ser obtido diminuindo a área de resfriamento ou aumentando a temperatura do agente de resfriamento. 2. Uma temperatura suficientemente elevada requer uma produção de calor elevada ou uma taxa de reação elevada. Se o gás de síntese de metanol está em um equilíbrio termodinâmico com metanol, a reação catalítica irá chegar a um estado quieto, e assim a produção de calor irá desaparecer. Assim, é necessário assegurar que o metanol produzido seja transportado para a superfície de resfriamento em uma taxa elevada. Isto pode ser obtido por aumento da área de resfriamento ou diminuição da temperatura do agente de resfriamento líquido.
Pela invenção, a atividade catalítica é mantida elevada ao se evitar a condensação através de ajuste da relação entre o volume do catalisador e a área de superfície de resfriamento, junto com uma temperatura específica do agente de resfriamento líquido, como descrito em detalhes abaixo.
A extensão do trajeto de transporte de metanol sendo produzido no leito de catalisador é ajustada a um comprimento em que a concentração de metanol no leito catalítico é apropriadamente baixa que o calor de reação aumenta a uma temperatura, onde ela compensa a quantidade de calor removida pela mesma extensão de transporte. Ao mesmo tempo assegura a temperatura dc superfície dc resfriamento, que a temperatura é suficientemente baixa que a condensação ocorre, e a temperatura do leito catalítico é tão elevada que a condensação sobre o catalisador é evitada e uma taxa de reação é mantida.
Este efeito é obtenível a uma temperatura específica da superfície de resfriamento. O calor que precisa ser removido do reator é de tal magnitude que para qualquer razão prática ele pode ser removido por calor de evaporação ou por aquecimento do agente de resfriamento líquido. A temperatura de superfície da área de resfriamento é próxima da temperatura do agente de resfriamento líquido.
A fim de evitar condensação de metanol no leito do catalisador, o calor dc produção deve ser suficientemente elevado para compensar o calor removido na área de resfriamento por aumento da relação de volume de catalisador para área de superfície de resfriamento e a relação de volume de catalisador para área de superfície de resfriamento deve ser adequada para o transporte do vapor de metanol produzido para a superfície de resfriamento.
Prefere-se que o re-arrasto de metanol líquido seja substancialmente reduzido ou evitado. O re-arrasto de líquido pode ser evitado por redução da resistência de fluxo do metanol bruto fluindo descendentemente sobre a superfície de resfriamento. Isto é realizado por emprego de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de mais do que 0,002m. O re-arrasto de líquido pode ser ainda reduzido por meio de um estabilizador de película líquida, como mostrado nas Figuras 1-7.
O re-arrasto de metanol liquido no leito de catalisador pode ser também evitado introduzindo uma área de aquecimento no reator que mantém a temperatura do leito de catalisador acima do ponto de orvalho de metanol. A área de aquecimento também irá manter a temperatura do catalisador acima do ponto de orvalho em casos em que a produção de calor é baixa, como gases de módulo elevado, e próximo da saída do leito de catalisador. A área de aquecimento deve, como para a área de resfriamento, ser distribuída uniformemente dentro do leito de catalisador a fim de obter um gradiente de temperatura forçada no leito. Porque a produção de calor é maior na entrada do gás de síntese do reator, com comparado com a saída do reator, a área de aquecimento pode resfriar próximo da região de entrada do reator e apenas aquecer o leito de catalisador na região de saída próxima do reator. E preferido introduzir o agente de resfriamento em uma direção de fluxo em co- corrente com o gás de síntese. Assim, a região de saída do reator pode ser re- aquecida por excesso de calor a partir da região de entrada do reator. O agente de aquecimento para uso na área de aquecimento é preferivelmente água de alimentação de caldeira, vapor ou uma mistura destes. A pressão do agente de aquecimento está preferivelmente entre cerca de 1,2 MPa e cerca de 6,4 MPa.
A vantagem principal do método e reator desta invenção é uma elevada conversão de gás de síntese de metal no reator obtido pela remoção contínua do metanol formado a partir da fase gasosa dentro da fase liquida sobre uma superfície de resfriamento através de condensação. Um resultado, o processo de metanol pode ser realizado em um modo de passagem única sem recirculação de gás de síntese não convertido.
Comparado com o reator de metanol com água em ebulição, uma vantagem da presente invenção é uma produção de vapor aumentada, porque o calor de condensação é utilizado no reator para a produção de vapor, enquanto o calor de condensação é tipicamente removido em um subseqüente condensador de água de resfriamento.
Se o calor de reação é removido por água de alimento da caldeira de aquecimento, a água de alimentação da caldeira pode ser subsequentmente resfriada por destilação instantânea do vapor formado em um tambor externo de destilação instantânea.
Como no processo de metanol convencional, alguns subprodutos são formados, dentre estes estão acetona e metil etil cetona, que são difíceis de remover por destilação. Porque a reação de hidrogenação é muito rápida, as cetonas estarão em equilíbrio termodinâmico na temperatura dada no reator. As cetonas serão principalmente dissolvidas no metanol bruto condensado na superfície de resfriamento, onde o equilíbrio termodinâmico é mais favorável para a conversão das cetonas nos alcoóis correspondentes. Isto resulta em um menor teor de cetona no metanol produzido comparado com um reator de metanol convencionalmente operado.
Os parâmetros de processo acima descritos e projeto e dimensões do reator podem ser ajustados por meio do seguinte procedimento:
A fim de obter condensação do metanol formado sobre a superfície de resfriamento, a temperatura do agente de resfriamento precisa estar abaixo do ponto de orvalho do metanol. Se o calor de reação for removido por evaporação do agente de resfriamento líquido, a pressão do agente de resfriamento líquido precisa ser ajustada para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfriamento entre 60°C e 170°C. Se o calor de reação for removido por aquecimento de um líquido refrigerante, a temperatura média do líquido refrigerante (TBW) deve estar entre 20°C e 170°C. TBW é a temperatura média do agente de resfriamento. A temperatura média é definida como a temperatura do agente de resfriamento após ter recebido metade do calor transferido total. Para reatores de vapores ascendentes, a temperatura média estará próxima do ponto de ebulição do agente de resfriamento líquido. A pressão absoluta do gás de síntese na entrada do reator deve estar acima de 8,5 MPa. Tendo determinado a temperatura média do agente de resfriamento líquido, a relação de volume de catalisador para área de superfície de resfriamento precisa ser ajustada. A fim de evitar condensação de metanol no leito de catalisador, o calor de produção deve ser sufícientemente elevado para compensar o calor removido na área de resfriamento por aumento da relação de volume de catalisador para área de superfície de resfriamento e a relação de volume de catalisador para área de superfície de resfriamento deve ser adequada para o transporte do vapor de metanol produzido para a superfície de resfriamento. Ambas as condições podem ser obtida por ajuste da área da superfície de resfriamento (ACOOL) em tal modo que a relação do volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para a área da superfície de resfriamento (ACOOL) está entre 0,0125m e 0,125m. Em uma outra forma de realização da invenção, a área da superfície de resfriamento (ACOOL) é ajustada de tal modo que a relação (Z) de volume de massa de catalisador assentado para produto de multiplicação de área da superfície de resfriamento (ACCOL) e diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30. onde: DEQ [m] é o diâmetro equivalente do grânulo de catalisador calculado como o diâmetro de uma esfera tendo o mesmo volume que a partícula de catalisador DEQ =(6 * (volume de partícula [m3])/3,14 )0,33). Se for empregado mais de um tamanho de grânulo, um diâmetro equivalente médio ponderai é calculado
Figure img0004
onde w(i) é a fração em peso de partículas com um diâmetro equivalente de
Figure img0005
;
Figure img0006
é o volume bruto assentado do catalisador no reator; e ACOOLfm2] é a área de transferência de calor da superfície de resfriamento onde condensação de metanol ocorre.
Para reator tipo 1, ACOOL é a área interna total dos tubos do catalisador. Se os tubos de catalisador tem alctas longitudinais internas, ACOOL é a área extema dos cilindros maiores encerrados pelos tubos com aletas. Para reator tipos 2 e 3, ACOOL é a área extema total dos tubos de resfriamento contendo o agente de resfriamento líquido com uma temperatura de TBW. Se os tubos do catalisador tem aletas longitudinais, ACOOL é a área externa dos cilindros menores encerrando os tubos com aletas.
Se forem empregados trocadores de calor de placas, ACOOL é a área extema total do menor retângulo encerrando as placas do trocador de calor.
Se o re-arrasto do líquido no leito de catalisador ocorre ou se o módulo de entrada do gás de síntese M está acima de 3 onde:
Figure img0007
(M é o módulo de gás de entrada, Y é a fração molar) prefere-se introduzir uma segunda área de aquecimento AREHEAT [m2] no reator tipos 2 e 3, como definido previamente. Esta segunda área de aquecimento irá assegurar que a temperatura do catalisador é mantida acima do ponto de orvalho de metanol. O agente de aquecimento usado na área de aquecimento pode ser um meio líquido, vapor ou uma mistura destes com um ponto de ebulição de entre 220°C e 280°C para o meio líquido ou um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C para o vapor.
DESCRIÇÃO DETALHADA DAS FIGURAS
Figuras IA e 1B mostram equipamento interno de malha de arame para uso na invenção. Um meio de resfriamento líquido 1 é no exterior de um tubo de aço2. Tubo de resfriamento tem sua parede interna uma malha de arame cilíndrica 3 (detalhe A) espaçada da parede. O tubo 2 suporte um leito fixo de catalisador 4. Uma película de condensado 5 de metanol sendo produzida dentro do leito 4 na fase gasosa condensa como uma película sobre a parede do tubo interno e flui descendentemente entre a parede interna e a gaze de arame. A disposição pode ser invertida em tal modo que um agente de resfriamento está dentro do tubo e o cilindro de gaze de arame fora do tubo e o leito de catalisador fora do cilindro de gaze de arame.
Figura 2 é equipamento interno em espiral de aço para uso na invenção. Um agente de resfriamento líquido 1 está no lado externo de um tubo de aço 2. A espiral de aço 3 é disposta dentro do tubo 2 suportando um leito fixo de catalisador 4. A película de condensado de metanol 5 está fluindo descendentemente sobre o lado inferior da espiral.
Figura 3 mostra equipamento interno de hélice de aço para uso na invenção. Um líquido de resfriamento 1 está fora de um tubo de aço 2. Uma hélice de aço 3 é disposta dentro de um leito fixo de catalisador 4. Uma película dc condensado de metanol 5 fluindo desccndcntcmcnte sobre o tubo de parede interna 2 e é forçada para a parede 2 devido à força centrífuga criada pela rotação forçada de um gás de síntese passando em direção axial através do tubo 2. Tubo 2 pode ser equipado com duas hélices 3, cada espiral deslocada em 180° de cada outra.
Figuras 4A e 4B mostram equipamento interno de fibra porosa para uso na invenção. Um agente de resfriamento líquido circunda um tubo de resfriamento 2 sendo equipado com um cilindro de fibra tecida 3 ou um cilindro de esteira de fibra ligada cerâmica sobre a parede interna do tubo 2. Um leito fixo de catalisador 4 é disposto dentro do tubo 2. Uma película de condensado de metanol 5 flui descendentemente dentro do equipamento interno de fibra porosa. A disposição pode ser revertida de tal modo que o agente de resfriamento está dentro do tubo 2, e equipamento 3 está fora do tubo e o leito de catalisador 4 fora do equipamento 3.
Figura 5 é uma vista em seção transversal de um tubo de catalisador com aletas internas 2 para uso na invenção. Um agente de resfriamento líquido 1 está fora do tubo de aço com aletas longitudinais externas 2, onde o número de aletas internas preferivelmente é maior do que 3,14 multiplicado com o diâmetro de tubo interno nominal dividido com o diâmetro equivalente do grânulo de catalisador. As aletas internas irão criar um vazio entre a parede de aço e o leito de catalisador permitindo ao condensado de metanol fluir descendentemente com menos resistência. Um leito fixo de catalisador 3 é disposto dentro do tubo e uma película de condensado de metanol 4 flui descendentemente entre a parede de tubo interno e o leito de catalisador 4.
Figura 6 é uma vista em seção transversal de um tubo de resfriamento com aletas externas para uso na invenção. Um agente de resfriamento líquido 1 está fora do tubo de aço com aletas longitudinais externas 2, onde o número de aletas internas preferivelmente é maior do que 3,14 multiplicado com o diâmetro de tubo externo nominal dividido com o diâmetro equivalente do grânulo de catalisador. As aletas externas irão criar um vazio entre a parede de aço e o leito de catalisador permitindo à película de condensado de metanol 4 fluir sobre a parede do tubo interno com menos resistência.
Figura 7 é um trocador de calor de placa corrugada para uso como a área de resfriamento de acordo com a invenção. Um agente de resfriamento líquido 1 é introduzido através da entrada la, que deixa o trocador de calor em forma gasosa 2 através da saída 2a. Um leito fixo de catalisador 3 circunda o trocador de placa. O trocador de calor é provido com uma superfície corrugada sinoidal 4 que provê um vazio entre as partículas de catalisador e a superfície do trocador de calor permitindo ao metanol condensado 5 fluir sobre a superfície com menos resistência. O comprimento de onda da corrugação sinoidal é menor do que o diâmetro equivalente do catalisador.
Figura 8 mostra uma vista longitudinal de um reator de metanol multi-tubular de acordo com uma forma de realização específica da invenção. O reator é provido em seu recinto de pressão 14 com uma entrada de gás de síntese 1, uma câmara de acesso 2, uma entrada 4 para um agente de resfriamento líquido, uma saída 5 uma mistura de líquido-vapor do meio de resfriamento, uma saída 9 para o gás de síntese não convertido e metanol bruto liquido e um dispositivo de líquido 12. Na parte de topo 3 do reator, uma folha de tubo superior 6, parte de topo 3, pode ser opcionalmente parcialmente cheia com um catalisador. Na região de fundo do reator, uma folha de tubo inferior 7, 8 um leito de suporte de esferas inertes 8 e uma grade de suporte perfurada 11 que suporta o leito inerte. Uma pluralidade de tubos 13 são cheios com catalisador de metanol, estes tubos podendo, cada, suportar um equipamento estabilizante de líquido, como descrito acima. Os tubos são dispostos em um nível triangular. Metanol sendo formado dentro dos tubos condensa sobre a parede interna dos tubos sendo resfriados pelo agente de resfriamento e flui descendentemente para a saída 9.
Figura 9 é uma vista longitudinal do reator de metanol com um leito catalítico 8 e um trocador de calor tubular 11 disposto dentro do leito de catalisador de acordo com uma forma de realização específica da invenção. Gás de síntese metanol é introduzido através da entrada 1 e passado através do leito de catalisador 8. O agente de resfriamento líquido é introduzido via um tubo múltiplo de entrada 4 no trocador de calor tubular He retirado na forma de uma mistura vapor-líquido na tubulação de saída 5. No fundo do reator a grade dc suporte perfurada 6 suporta um leito de suporte 9 de esferas inertes. A parte principal dos catalisadores está situada entre trocador de calor 11 consistindo de, ou uma pluralidade de, tubos, tubos com um estabilizador de película de líquido sobre a superfície externa, tubos longitudinais com aletas ou placas de troca de calor corrugadas. Metanol à medida que é formado dentro do leito de catalisador é condensado sobre a superfície do trocador de calor 11 e é retirado na fase liquida através da saída 10.
Figura 10 é uma vista longitudinal do reator de metanol sendo provido com um leito fixo de catalisador de metanol 8 de acordo com uma forma de realização específica da invenção. Dentro do leito 8 é montada uma superfície de resfriamento na forma de um trocador de calor tubular 11 e uma superfície de aquecimento na forma de um trocador de calor tubular 15. No fundo do reator a grade de suporte perfurada 6 suporta um leito de suporte 9 de esferas inertes. O gás de síntese metanol é introduzido dentro do leito 8 via entrada 1. Um agente de aquecimento é introduzido em trocador de calor 15 via o tubo múltiplo de entrada 13 e retirado através do tubo múltiplo de saída 14. Um agente de resfriamento líquido é introduzido em trocador de calor 11 via um tubo múltiplo de entrada 4 e é retirado através do tubo múltiplo de saída 5. Metanol sendo formado no leito 8 condensa sobre a superfície de resfriamento do trocador de calor 11 e é retirado do reator na fase liquida através da saída 10. A superfície de resfriamento do trocador de calor 11 consiste de, ou uma pluralidade de, tubos, tubos com um estabilizador de película de liquido sobre a superfície externa, tubos longitudinais com aletas ou placas de troca de calor corrugadas onde o metanol bruto condensa. Trocador de calor 15 mantém a temperatura do leito de catalisador acima do ponto de orvalho do metanol formado e consiste de, ou uma pluralidade de, tubos ou placas de troca de calor.
Figura 11 é uma vista em seção de um reator de metanol de fluxo radial de acordo com uma forma de realização específica da invenção. O gás de síntese de metanol é introduzido no reator via entrada 1. O gás de síntese é passado através do leito de catalisador 14 na direção radial a partir da periferia do reator através de um cilindro perfurado cilíndrico 7 que suporta o leito de catalisador e permite que o gás de síntese de entrada passe para um tubo central 6 sendo perfurando quando em contato com o catalisador para permitir que o gás de síntese residual e o metanol bruto líquido sendo formado sejam retirados através da saída 13. A superfície de resfriamento na forma de um trocador de calor 9 consistindo de, ou uma pluralidade de, tubos, tubos com um estabilizador de película de líquido sobre a superfície extema, tubos longitudinais com aletas ou placas de troca de calor corrugadas é disposto dentro do leito de catalisador 14. Um agente de resfriamento líquido io é introduzido no trocador de calor através da entrada 4 e retirado através da saída 5. O agente de resfriamento é distribuído para o trocador de calor por meio de um distribuidor circular 10 e coletado na saída do trocador de calor por um distribuidor de saída 11.
Figura 12 mostra um diagrama de fluxo de processo para a 15 preparação de metanol de acordo com a invenção. Gás de síntese de metanol 1 é comprimido no compressor de gás de síntese e passado para um reator de água em ebulição multi-tubular convencional 5 como tipicamente empregado na indústria hoje em dia. O efluente do reator 5 contendo metanol e gás de síntese não convertido é passado para um separador 9 e separado em uma 20 corrente rica em gás de síntese 10 e uma corrente rica em metanol 17.
Corrente 10 é introduzida no reator de metanol 11 sendo projetado de acordo com a invenção. Um agente de resfriamento com um ponto de ebulição entre 60°C c 170°C é introduzido no reator 11 via entrada 13 e retirado da saída 12. Um agente de aquecimento é introduzido através da entrada 18 e retirado 25 através da saída 19.0 efluente do reator 11 contendo metanol líquido e gás de síntese não convertido é passado para um separador 15 e separado em uma corrente de gás de síntese 16 e uma corrente de metanol líquido 20, que é combinada com a corrente de metanol do reator 9 em linha 17.
Exemplo 1
O projeto do reator e as condições de processo para um método e reator do tipo acima discutido 1 são determinados por meio das seguintes equações com base em valores pré-determinados de: P=12,55MPa pressão do reator na entrada do gás de síntese;
Composição do gás de síntese na entrada do reator:
Figure img0008
Com valores de projeto pré-determinados de TBW=130°C, Z=5, o seguinte projeto de reator com uma condensação ótima de metanol sobre a superfície de resfriamento dentro do reator pode ser determinado como a seguir:
Figure img0009
Para um reator multi-tubular de tipo 1, a relação de VCAI7ACOOL é igual a !4 do diâmetro interno do tubo, dando um diâmetro de tubo interno de 0,12m.
A fim de manter a temperatura média do agente de resfriamento líquido TBW a 130°C, água de alimentação da caldeira pressurizada a 5,0MPa e 110°C é usada para resfriar o reator, o fluxo do agente de resfriamento é ajustado a fim de obter uma temperatura de saída do agente de resfriamento de 150°C, dando uma temperatura média do agente de resfriamento de 130°C.

Claims (10)

1. Método de preparar metanol, caracterizadopelo fato de que compreender as etapas de reagir um gás de síntese contendo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfriadas com um agente de resfriamento, e condensar metanol à medida que ele é formado sobre uma superfície de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfriamento para prover um ponto de ebulição (TBW) do agente de resfriamento entre 60°C e 170°C, e manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superfície de resfriamento (ACOOL) de tal modo que a relação (Z) do volume de massa de catalisador assentado (VCAT) para produto de multiplicação de área da superfície de resfriamento (ACCOL) e diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio das seguintes equações: DEQ1 = (6*(volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol[m3]/3,14)0,33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho, ou
Figure img0010
onde: w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
2. Método de acordo a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que temperatura das partículas de catalisador de metanol é mantida acima do ponto de orvalho do metanol por um agente de aquecimento incluindo água pressurizada com um ponto de ebulição entre 220°C e 280°C, vapor com um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C ou uma mistura dos mesmos, o agente de aquecimento sendo passado através de um meio de aquecimento interno tendo uma área de superfície de modo que a relação da superfície de meio de aquecimento para a superfície da área de resfriamento (ACOOL) está entre 0,3 e 3,0.
3. Método de acordo a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o ponto de ebulição do agente de resfriamento está entre 100°C e 160°C e a relação Z está entre 2,0 e 15.
4. Reator de metanol para uso em um método conforme a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender dentro de um envoltório comum um leito fixo de um catalisador de metanol e meio de resfriamento adaptado para indiretamente resfriar um gás de síntese de metanol reagindo com um agente de resfriamento, em que a relação (Z) de volume de massa do catalisador para produto de multiplicação de área de superfície de resfriamento do meio de resfriamento com diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio da seguinte equação: DEQ1 = (6*(volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [m3]/3,14)0,33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho e com partículas de catalisador de diferente tamanho por meio da seguinte equação:
Figure img0011
onde: w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
5. Reator de metanol de acordo com a reivindicação 4, caracterizadopelo fato de ainda compreender meio de aquecimento adaptado para indiretamente manter a temperatura do catalisador de metanol com um agente de aquecimento, em que a relação de superfície da superfície do meio de aquecimento para o meio de resfriamento está entre 0,3 e 3,0.
6. Reator de metanol de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a relação Z está entre 2 e 15.
7. Reator de metanol de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 6, caracterizado pelo fato de ainda compreender equipamento estabilizador de película interna adjacente à superfície do meio de resfriamento.
8. Método de preparar metanol, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de compreender as etapas de reagir um gás de síntese contendo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono em um reator de leito fixo de partículas de catalisador de síntese de metanol sendo indiretamente resfriadas com um agente de resfriamento, e condensar metanol à medida que ele é formado sobre uma superfície de resfriamento por ajuste da pressão do agente de resfriamento para prover uma temperatura média (TBW) do agente de resfriamento entre 20°C e 170°C, e manter a temperatura do catalisador acima de ponto de orvalho do metanol por ajuste da área da superfície de resfriamento (ACOOL) de tal modo que a relação (Z) de volume de massa de catalisador assentado para produto de área da superfície de resfriamento (ACCOL) e diâmetro equivalente do catalisador (DEQ) está entre 2,0 e 30, onde o diâmetro equivalente do catalisador é calculado por meio das seguintes equações: DEQ1 = (6*(volume de uma partícula do catalisador de síntese de metanol [m3]/3,14)0,33 com partículas de catalisador do mesmo tamanho, ou
Figure img0012
onde: w(i) é a fração em peso de partículas de catalisador com um diâmetro equivalente de DEQ (i) [m].
9. Método de acordo a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a temperatura das partículas de catalisador de metanol é mantida acima do ponto de orvalho do metanol por um agente de aquecimento incluindo água pressurizada com um ponto de ebulição entre 220°C e 280°C, vapor com um ponto de orvalho entre 220°C e 280°C ou uma mistura dos mesmos, o agente de aquecimento sendo passado através de um meio de aquecimento interno tendo uma área de superfície de modo que a relação da superfície de meio de aquecimento para a superfície da área de resfriamento (ACOOL) está entre 0,3 e 3,0.
10. Método de acordo a reivindicação 8, caracterizadopelo fato de que a temperatura média do agente de resfriamento líquido está entre 90°C e 160°C e a relação Z está entre 2,0 e 15.
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