CH646618A5

CH646618A5 - Reattore per sintesi eterogenee catalitiche.

Info

Publication number: CH646618A5
Application number: CH203581A
Authority: CH
Inventors: Umberto Zardi; Ettore Comandini
Original assignee: Ammonia Casale Sa
Priority date: 1981-03-26
Filing date: 1981-03-26
Publication date: 1984-12-14
Also published as: GB2122102A; FR2529096A1; GB2122102B; DE3224422A1

Description

La presente invenzione si riferisce a un reattore per sintesi eterogenee catalitiche, in specie per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo, «fuel», alcoli superiori, monomeri e simili, consistente di almeno un mantello estemo, di n letti catalitici formati, ciascuno, da catalizzatore granulare disposto tra un fondo pieno e due pareti cilindriche con-5 centriche di cui quella più estema è perforata su tutta la sua estensione assiale e quella più intema ha un'estensione assiale perforata inferiore a quella della detta parete estema; di mezzi per l'adduzione dei gas di reazione; di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti, e di mezzi per la regolazione delio la temperatura dei gas reagiti.

Reattori di questo tipo sono stati descritti in recenti domande di brevetto italiane (domande di brevetto n. 24 334 A/79, n. 22 701 A/80, n. 26 294 A/80) e nel corrispondente brevetto svizzero a nome della Richiedente e di uno de-15 gli inventori; essi si caratterizzano per il fatto che i letti catalitici sono percorsi dai gas di reazione in una zona con flusso prevalentemente assiale, ed in un'altra zona con flusso prevalentemente radiale, la zona di catalizzazione a flusso prevalentemente assiale agendo anche da tampone di tenuta 20 dei gas.

Come noto la maggior parte delle sintesi eterogenee sono accompagnate da un notevole sviluppo di calore che viene normalmente recuperato all'esterno del reattore stesso, raffreddando il gas reagito di uscita per produrre energia 25 (ad es. vapore).

Il recupero del calore all'esterno dei reattori è certamente svantaggioso rispetto ad un recupero all'interno del reattore perché quest'ultimo, in assenza di complicazioni costruttive, consentirebbe di ottenere anche e contempora-30 neamente: a) una regolazione ottimale della temperatura di reazione, minimizzando così i volumi di catalizzatore; b) massime rese; e c) massimo livello termico del calore recuperato (ad es. vapore prodotto a più alta pressione). Nonostante queste lusinghiere prospettive, il recupero del calore 35 all'interno dei reattori non ha a tutt'oggi trovato una diffusa applicazione.

Infatti solo in casi eccezionali si è recuperato il calore all'interno del reattore per produrre vapore e conseguire un controllo delle temperature di reazione (ad esempio nel reat-40 tore ammoniaca Fauser-Montecatini, nel reattore Ammonia-Casale con letti catalitici a flusso assiale del gas, nel reattore metanolo Lurgi sempre con letto catalitico a flusso assiale dei gas) ma ciò è stato realizzato a spese di enormi complicazioni costruttive che nella maggior parte dei casi 45 hanno portato all'abbandono di questa strada.

È così che nel caso del reattore di ammoniaca, le moderne tecnologie prevedono normalmente la produzione di vapore all'esterno del reattore stesso e ciò vale anche per i reattori di metanolo ad eccezione del reattore Lurghi (ve-50 dasi E. Supp «Chemtech» luglio 1973) ed il reattore Toyo Engineering (dom. di brevetto italiano n. 21 172 A/80) che rappresentano però soluzioni molto complesse.

Nei nuovi reattori a flusso radiale-assiale così come descritti nelle suddette recenti domande di brevetto italiane 55 e corrispondente domanda di brevetto svizzera, la regolazione della temperatura di reazione è ottenuta o con scambio gas-gas o più in generale col sistema del «quenching», che non consentono però un recupero in situ del calore di reazione.

60 Nel caso del quenching solo una parte del gas di quench attraversa tutti i letti catalitici e ciò comporta una conseguente diminuzione delle rese.

Continuando ora le sue ricerche nel campo, la Richiedente ha trovato, non senza sorpresa, che all'interno dei 65 suoi nuovi reattori a strati catalitici percorsi in serie dal gas di reazione, con flusso misto assiale radiale (secondo le suddette domande di brevetto italiane e relativa domanda di brevetto svizzera) può essere vantaggiosamente recuperato

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il calore di reazione, e che questo recupero interno con tutti gli altri vantaggi ad esso associati è conseguibile senza complicazioni e complessità.

Il reattore secondo la presente invenzione, per sintesi eterogenee, in specie per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo, «fuel», alcoli superiori e monomeri, consistente di almeno un mantello esterno, di n letti catalitici formati ciascuno da catalizzatore granulare disposto tra un fondo pieno e due pareti cilindriche concentriche di cui quella più esterna è perforata su tutta la sua estensione assiale e quella più interna ha un'estensione assiale perforata inferiore a quella della detta parete esterna; di mezzi per l'adduzione dei gas di reazione; di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti, e di mezzi per la regolazione della temperatura dei gas reagiti, si caratterizza per il fatto che dentro lo spazio cilindrico centrale delimitato dalle pareti interne con minor estensione perforata di almeno uno degli n cestelli catalitici è inserito uno scambiatore di calore che è investito da un lato, dai gas reagiti sul letto a cui esso è associato, e, dall'altro lato, è percorso da acqua alimentata dall'esterno.

In una forma di realizzazione particolarmente semplice e vantaggiosa, lo scambiatore di calore inserito nello spazio centrale cilindrico delimitato dalla parete interna a minor estensione perforata è un fascio di tubi che sono percorsi internamente da acqua e sono lambiti esternamente dai gas caldi reagiti che hanno attraversato con flusso assiale e con flusso radiale il letto catalitico in cui è inserito detto fascio tubiero.

Il fascio tubiero si estende sostanzialmente su tutta la lunghezza assiale perforata della parete cilindrica interna di ogni cestello catalitico, ed è compreso in un corpo cilindrico che ha un'estensione assiale di poco inferiore all'estensione assiale perforata dalla parete interna del cestello, detto corpo cilindrico presentando alla sua base, delle aperture regolabili di by-pass dei gas reagiti.

Un procedimento di ottimizzazione delle condizioni operative del reattore consiste nell'asportare calore ad alto livello termico in situ per scambio termico tra i gas reagiti su un letto ed acqua fatta circolare dall'esterno nella parte centrale cilindrica interna al letto stesso, in modo da ottenere, contemporaneamente alle condizioni ottimali di reazione, anche la minimizzazione del volume di catalizzatore in ogni letto, ed in più nell'effettuare una regolazione ancora più fine della temperatura dei gas già reagiti su un letto ed in entrata sul letto catalitico successivo dosando la quantità di gas caldi reagiti su un letto che viene inviata alla parte centrale cilindrica interna in cui si effettua lo scambio termico.

I diversi aspetti e vantaggi del trovato appariranno meglio dalla descrizione di alcune forme di realizzazione esemplificative e non limitative, come quelle rappresentate nei disegni allegati in cui:

la fig. 1 è una vista in sezione schematica e parziale di un reattore assiale radiale ad es. secondo le domande di brevetto italiane n. 24 334 A/79 e n. 22 701 A/80, incorporante un sistema di recupero di calore secondo la presente invenzione, disposto direttamente all'interno di ogni strato catalitico; e la fig. 2 è uno schema generale che illustra più completamente il metodo di ottimizzazione.

Per scrupolo di chiarezza illustrativa in fig. 1 si è rappresentato in forma schematica un reattore assiale-radiale a due soli cesti catalitici C2 e C2, ogni cesto consistendo di un supporto S! (risp. S2) e di due pareti cilindriche Tj, T2 (risp. T3 e T4); le pareti cilindriche più esterne e T3 sono perforte su tutta la loro estensione assiale mentre le pareti più interne T2 e T4 presentano una estensione assiale perforata inferiore a quella delle dette pareti più esterne Tt e T,. Infatti come si vede schematicamente dalla fig. 1 i tratti T'2, rispettivamente T'4 sono senza perforazioni e possono essere costituiti o da una porzione piena (senza perforazione) delle pareti interne T2 risp. T4, o da uno strato catalitico o da un altro corpo qualsiasi non perforato.

La struttura della porzione non perforata di T2, risp. T4 può essere perciò realizzata in diverse maniere; quel che conta è che l'estensione assiale perforata della parete cilindrica più interna T2 (T4) sia inferiore a quella tutta perforata di Tj (T3), per cui lungo la zona definita dai tratti non perforati (T'2 risp. T'4) si verifica un flusso prevalentemente assiale Zla dei gas mentre nella zona perforata T2 (T4) si verifica un flusso prevalentemente radiale Zlb. Quest'aspetto caratteristico dei reattori assiali-radiali è già messo nel dovuto risalto nelle suddette domande di brevetto italiane e domanda svizzera che vanno considerate come facenti parte integrale di questa descrizione. In genere l'altezza T'2 (T'4) che definisce la zona a flusso prevalentemente assiale è critica nel senso che essa deve essere tale da funzionare anche da tampone per il flusso di gas.

Si è ora trovato, e ciò costituisce la caratteristica principale della presente invenzione, che nello spazio cilindrico vuoto delimitato dalla parete cilindrica interna T2, (risp. T4) è inseribile uno scambiatore di calore SCt (risp. SC2), il quale è circondato da un corpo cilindrico BBj (BB2) la cui base Bt (B2) è innestata sul supporto Sx (S2) del cesto catalitico Cj (C2) in modo che sostanzialmente tutto il flusso di gas reagito, cioè sia quello Zra. (Z2a) che ha attraversato assialmente il catalizzatore nella zona Zxa sia quello Zjb (Z2b) che ha attraversato il cesto catalitico radialmente, risalga tutta la parete BBX e alla sommità aperta B', (B'2) di questa penetri nello scambiatore SC! (risp. SQ) il quale è alimentato di acqua da una sorgente esterna SQX (SQ2) ed è dotato di un'uscita in alto Uj (U2) in cui è presente anche il vapore (ad alto livello termico) prodotto in situ in SCj (SC2) per effetto dello scambio termico con i gas caldi reagiti Zla + Zlb.

In virtù di questo scambio si riesce a mantenere la temperatura della zona di reazione al valore ottimale (temperatura di equilibrio), a produrre calore in situ ad alto livello, ad avere alte rese di conversione e a minimizzare il volume di catalizzatore su ogni cestello. In più, secondo un aspetto notevole del trovato, la temperatura dei gas Gj già reagiti su un letto (Cj) e diretti all'entrata del letto successivo (C2) può essere regolata ancora più finemente per il fatto che quasi sul fondo Bt del corpo cilindrico BBj sono ricavate delle aperture Fj, F2, F., F6... Fn (distribuite cioè lungo tutta la superficie cilindrica di BBj) la cui luce libera può essere regolata con un sistema di chiusura (non rappresentato); allorché i fori Fi-Fn sono completamente chiusi tutto il flusso di gas reagiti Zla + Zlb risale il corpo BBi e penetra tramite B'j nello scambiatore SCr In questo caso il gas in uscita dal letto Cj ha la temperatura «fredda» impostagli dallo scambio termico ed entra perciò nel letto successivo C2 a questa temperatura che possiamo chiamare «minima». Per contro, allorché le aperture F^F,, sono solo parzialmente chiuse, una parte dei gas caldi reagiti G't (ad es. una parte di Zlb) non risalirà lungo il corpo BBt ma passerà direttamente attraverso Fj-Fn per portarsi nella zona libera Z2 (tra Cx e C2) miscelandosi qui con i gas Gt che per aver attraversato lo scambiatore SCj sono stati portati ad una temperatura più bassa.

Regolando perciò il grado di apertura o chiusura dei fori F^Fn si doserà la quantità (minoritaria) di gas G\ caldi che by-passa lo scambiatore SCj e arriva caldo in Z2 dove si miscelerà col flusso (maggioritario) Gì dei gas più freddi che ha ceduto calore all'acqua da SQt che circola nello scambiatore SCj. In questo modo, cioè coll'inserzione degli

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scambiatori SC1; SC2 ecc. ecc. in più letti catalitici Cj, C2 ecc. ecc. e col sistema di by pass Fj-F,,, sul fondo del corpo BBj, si riesce non solo ad ottimizzare le condizioni di reazione su ogni singolo letto ma anche a far affluire gas a temperature ottimali da un letto all'altro. In fig. 1, gli scambiatori SCj, SC2 sono stati schematicamente rappresentati nella loro forma di realizzazione più semplice, cioè come un fascio di tubi 1 (1'), 2 (2'), 3 (3') ecc. ecc. inseriti tra una piastra inferiore Px (P'j) ed una piastra superiore collettrice P2 (P'2). È evidente che lo scambiatore può essere anche di un altro qualsiasi tipo di per sé noto che consenta il miglior recupero di calore in situ al più alto livello termico consentito. Dispositivi sostitutivi del fascio tuberio sono di per sé noti e la loro sostituzione va considerata a portata di mano del tecnico del ramo.

In fig. 2 è indicato uno schema più generalizzato di un processo ed impianto di ottimizzazione, particolarmente adeguato per la sintesi di metanolo. Il reattore metanolo RME è stato disegnato qui con quattro letti catalitici C1; C2, C3, C4; nella parte centrale interna cilindrica dei soli primi tre letti catalitici si sono inseriti i tre scambiatori SCV SC2, SC3, l'ultimo letto C4 essendo privo di scambiatore.

I gas freschi di sintesi GSI sono fatti arrivare sulla linea principale 12 e tramite le linee 12'-12" passano ad es. in due scambiatori 15 e 16 in cui circolano in contro-corrente i gas caldi reagiti GRC in uscita dal fondo 30 tramite la linea 20 e le linee di ripartizione 20' e 21'. I gas di sintesi GSI' che hanno attraversato gli scambiatori 15 e 16 e sono raccolti, parzialmente preriscaldati in 17 arrivano tramite le linee 18 e 19 alla sommità del reattore RME ed entrano come gas MSI nella prima zona libera Zt da cui passano con flusso prima assiale e poi radiale nel primo letto catalitico Cj, indi risalgono il corpo BBX e percorrono in senso discendente ma spirale lo scambiatore SCj dal quale fuoriesce un flusso di gas raffreddati Gx (o Gj-G'ì se c'è by-pass parziale di SC! per l'apertura parziale dei fori F^F,,) che penetra nel secondo letto catalitico C2 lo percorre assialmente e radialmente, risale il corpo BB2, ridiscende lo scambiatore SC2, passa come flusso G2 (o G2 + G'2 se c'è un by-pass parziale di SC2 per l'apertura dei fori F'rF'n), nel Ietto C3 che percorre assialmente prima e radialmente dopo,

passa lungo BB3 in SC3 dal quale fuoriesce come flusso raffreddato G3 (o come flusso G3 + G'a per parziale by-pass dovuto alla chiusura incompleta dei fori F"!-F"n) per percorrere infine il letto C4 (sprovvisto di scambiatore), uscire 5 da 30 e, tramite le linee 20, 20', 21, 21' e 22, essere inviato al condensatore finale CO.

Per il funzionamento degli scambiatori secondo il trovato SCu SC2, SC3, la sorgente di acqua principale SQ alimenta tramite la linea 42, 43 e 44 la pompa Pj che tramite io la linea 45 e le tre linee 46, 47 e 48 fanno circolare acqua nei tubi associati ad SC1; SC2 e SC3 le cui uscite U1; U2 e U3 sono portate da un'unica linea Uc che alimenta un raccoglitore RC nella parte alta del quale ci sarà il vapore ST (prodotto nei singoli scambiatori SC1; SC2 e SC3) che va alla 15 utilizzazione ST'. Sul fondo del raccoglitore RC c'è l'acqua SQ' che viene ricircolata insieme a quella fresca da SQ.

Si è trovato che adottando uno schema del tipo di fig. 2 per un impianto di metanolo da 1000 tonnellate al giorno con una pressione di esercizio di 80 bar, il recupero di va-20 pore saturo a circa 18 bar, ed il volume di catalizzatore assumono i valori riportati nella tabella successiva allorché si effettua il recupero interno al reattore secondo la presente invenzione, o il recupero esterno secondo la metodologia anteriore.

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Produzione 1000 t/d CH3OH a 80 bar. Recupero vapore a 18 bar con 4 letti catalitici

Totale MM Kcal per Volume in 30 Kcal/h tonnellate ms catalizza-

Metanolo tore su 4 letti

Recupero interno al reat- 17 MM 410.000 85 35 tore secondo l'invenzione

Recupero esterno al 7,8 190.000 96

40 reattore

2 fogli disegni

Claims

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1. Reattore per sintesi eterogenee catalitiche, in specie per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo, «fuel», alcoli superiori, monomeri, consistente di almeno un mantello esterno, di n letti catalitici formati, ciascuno da catalizzatore granulare disposto tra un fondo pieno (S 1) e due pareti cilindriche concentriche (T 1, T 2) di cui quella più esterna è perforata su tutta la sua estensione assiale e quella più interna ha un'estensione assiale perforata inferiore a quella della detta parete esterna; di mezzi per l'adduzione dei gas di reazione; di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti, e di mezzi per la regolazione della temperatura dei gas reagiti, caratterizzato dal fatto che dentro lo spazio cilindrico centrale delimitato dalle pareti interne (T 2, T 4) con minor estensione perforata di almeno uno degli n cestelli catalitici è inserito uno scambiatore di calore (SC 1) che è investito, da un lato, dai gas caldi reagiti sul letto a cui esso è associato e, dall'altro lato, è percorso da acqua alimentata dall'esterno (SQ 1).

2. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che lo scambiatore inserito nello spazio centrale cilindrico definito dalla parete interna a minore estensione perforata è un fascio di tubi, che sono percorsi internamente da acqua e sono lambiti esternamente dai gas che hanno attraversato sia con flusso prevalentemente assiale sia che con flusso prevalentemente radiale, il detto letto catalitico nel quale è inserito detto fascio tubiero.

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RIVENDICAZIONI

3. Reattore secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il fascio tubiero (SC 1) si estende sostanzialmente su tutta la lunghezza assiale perforata (T 2) della parete cilindrica interna di ogni cestello catalitico, ed è compreso in un corpo cilindrico (BB 1) che ha un'estensione assiale di poco inferiore all'estensione assiale perforata della parete interna (T 2) del cestello, detto corpo cilindrico presentando alla sua base, delle aperture regolabili di by-pass dei gas reagiti.

4. Procedimento di messa in esercizio di un reattore secondo le rivendicazioni 1, 2 e 3 per ottenere l'ottimizzazione di sintesi eterogenee catalitiche, in particolare di ammoniaca, metanolo, «fuel», alcoli superiori, monomeri, e per il recupero del calore dei gas reagiti sui cestelli catalitici attraversati dai gas di sintesi su una zona con flusso prevalentemente assiale e su un'altra zona con flusso prevalentemente radiale, caratterizzato dal fatto che i gas caldi reagiti per passaggio prevalentemente assiale, prima, e radiale, dopo, su un letto catalitico attraversano una zona centrale cilindrica interna al detto letto in relazione di scambio termico, con acqua che è fatta circolare in detta zona e con la quale si asporta calore in situ.

5. Procedimento secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che i gas freschi da far reagire attraversano almeno uno scambiatore di calore (15, 16) percorso dai gas caldi reagiti in uscita dal letto catalitico, che i detti gas freschi così preriscaldati attraversano ogni cestello catalitico con flusso prevalentemente assiale e con flusso prevalentemente radiale e sono portati a lambire uno scambiatore di calore che è disposto entro un corpo cilindrico interno (BB 1) alla parete interna cilindrica (T 2, T 4) con zona perforata a minore estensione assiale (T2', T4'), che è alimentato, da un lato, con acqua e dà in uscita una miscela di acqua e vapore che è convogliata insieme a quelle provenienti dagli altri fasci tubieri disposti all'interno degli altri cestelli catalitici ad un raccoglitore (RC) di acqua-vapore.