CH666198A5 - Reattore per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo ed alcoli superiori. - Google Patents

Reattore per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo ed alcoli superiori. Download PDF

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Description

DESCRIZIONE La presente invenzione si riferisce a reattori per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo ed alcoli superiori, consistenti di un mantello esterno, di una cartuccia interna comportante una parete piena esterna formatrice di intercapedine con la parete interna del mantello, di n letti catalitici formati, da catalizzatore granulare disposto tra il fondo chiuso, o fondo e coperchio chiusi, e due pareti cilindriche perforate, di mezzi per l'adduzione dei gas di reazione, di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti, di scambiatori di calore allineati assialmente al centro dei letti catalitici e consistenti di fasci tubieri, e di mezzi per l'adduzione ad essi di gas fresco di scambio.
Reattori del genere sono descritti in letteratura nelle più svariate forme di realizzazione; in particolare in recenti brevetti e domande di brevetto della Richiedente sono descritti reattori molto vantaggiosi nei quali ogni strato o letto catalitico è percorso dai gas di reazione in una zona con flusso prevalentemente assiale, ed in un'altra zona con flusso prevalentemente radiale, la zona a flusso prevalentemente assiale agendo anche da tampone o tappo di tenuta tra strati catalitici.
Di preferenza la cartuccia interna è vantaggiosamente ottenuta per semplice assemblaggio di cartucce elementari, ciascuna formata (procedendo dall'esterno all'interno) da una parete laterale cilindrica piena, da un fondo pieno che può essere la continuazione della parete piena esterna, da una prima parete cilindrica perforata su una estensione maggioritaria assiale e da una parete cilindrica interna perforata solo parzialmente, cioè avente almeno una piccola estensione assiale non perforata: il letto catalitico è disposto su detto fondo ed è delimitato da dette pareti laterali parzialmente perforate. Ogni strato o letto catalitico è aperto in alto dove la zona a flusso prevalentemente assiale, è attraversata da una porzione minoritaria di gas e agisce da tampone di tenuta per la parte maggioritaria di gas che attraversa la zona maggioritaria restante del letto catalitico con flusso prevalentemente radiale.
Pur essendo ben nota l'importanza di realizzare reattori a più letti catalitici con controllo della temperatura del gas ottenuto non mediante l'impiego di una iniezione diretta di gas fresco a più bassa temperatura (reattori a quench), ma mediante interscambio diretto tra il gas di alimentazione a più bassa temperatura ed il gas caldo in uscita dai singoli letti, effettuato vantaggiosamente mediante l'impiego di scambiatori che permettono di conseguire più alte rese di conversione, nello stato dell'arte, in particolare in precedenti brevetti della Richiedente, sono descritti reattori con molteplicità di letti catalitici, ma con controllo della temperatura tra ciascun letto effettuata mediante iniezione diretta di gas fresco, che come detto sopra riduce la resa, o con due letti catalitici e controllo della temperatura tra i letti mediante un unico interscambio su scambiatore tra il gas fresco ed il gas in uscita dal primo letto.
Eccezionalmente sono stati descritti reattori con tre letti catalitici e due interscambi mediante scambiatore tra i letti ma con realizzazioni estremamente complèsse ed onerose.
Continuando le sue ricerche la Richiedente ha ora sorprendentemente trovato che è possibile ottimizzare la resa e le condizioni delle reazioni di sintesi con una scelta critica di cartucce ad alta efficienza con più letti catalitici (almeno tre) per reattori di sintesi, le quali possono essere convenientemente ed economicamente realizzate secondo la presente invenzione, con:
I - Un flusso (A) dall'alto verso il basso di gas fresco di reazione (GR) nell'intercapedine (10) tra mantello (M) e parete esterna della cartuccia (CU) porta letti catalitici (CI, C2, C3 ... Cn).
II - Un flusso di risalita (A' ) dal basso verso l'alto del gas di alimentazione (GR) di cui al punto I, all'esterno (A' e) od all'interno (A'i) di scambiatori (EXl, EX2, EX3) disposti in serie lungo l'asse della cartuccia (CU) e sistemati nella parte centrale vuota dei letti catalitici (CI, C2, C3), detto gas (B) venendo così preriscaldato dal gas caldo reagito (D) proveniente dai vari letti catalitici (Cl, C2 ... Cn), che percorre detti scambiatori (EXl, EX2, EX3) in direzione dall'alto verso il basso, all'interno rispettivamente all'esterno di detti scambiatori.
III - Flussi di gas fresco di scambio (1, 2, 3 ... n), che si uniscono al gas (A' ) di cui al punto II dopo che lo stesso ha percorso il primo.(EXl) e rispettivamente i successivi (secondo scambiatore EX2 nel caso di tre letti catalitici) detti scambiatori (EXl, EX2, EX3) essendo, come detto al punto II, disposti in serie, regolandone la sua temperatura.
IV - flusso del gas (A' ' ) in uscita dall'ultimo degli scambiatori (EX3) come descritti ai punti II e III, dall'alto verso il basso e dall'esterno (20) all'interno (21) attraverso la molteplicità
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di letti catalitici (Cl, C2, ... Cn) disposti in serie, una porzione minoritaria (23) di detto gas (A' ' ) attraversando di preferenza con flusso prevalentemente assiale la porzione minoritaria superiore di ciascun letto catalitico (Cl, C2, ... Cn), la restante porzione maggioritaria (24) del gas (A' ' ) attraversando la porzione maggioritaria inferiore del letto catalitico con flusso radiale.
V - Flusso del gas reagito (25) in uscita dalla parete cilidrica interna (Pi) perforata di ciascun letto dal basso verso l'alto in un collettore (26) costituito dalla faccia esterna di detta parete cilindrica perforata interna (Pi), e dalla faccia interna di una parete cilindrica non perforata (PP) di minor diametro all'interno della quale sono predisposti gli scambiatori (EXl, EX2 ... EXn).
VI - Flusso centrale di uscita (FU) del gas reagito nella parte inferiore del mantello.
La cartuccia (CU) porta catalizzatore con distribuzione del gas come sopradescritto può essere ora semplicemente realizzata in più parti sovrapposte (moduli), ciascuno dei quali essendo costituito da:
1 - Una parete esterna cilindrica chiusa (28) formatrice di cartuccia (CU) con elementi ad incastro (SI, S2, S3) per la sovrapposizione a tenuta dei vari moduli (CI, C2, C3).
2 - Pareti cilindriche (esterna Pe ed interna Pi) perforate lungo la parte maggioriraria (H' ) inferiore della loro altezza (H), la parete perforata (Pi) avendo diametro leggermente inferiore a quello della parete cilindrica esterna non perforata (PP) così costituendo il collettore di uscita (26) del gas che percorre ciascun letto.
3 - Diaframma cilindrico interno non perforato di diametro molto inferiore a quello della parete cilindrica esterna piena (PP) e leggermente inferiore a quello della parete cilindrica interna perforata (Pi) costituendo con la stessa il collettore (26) di uscita del gas dal letto catalitico.
4 - Fondo chiuso (FO) tra parete cilindrica esterna (Pe) e diaframma non perforato (PP).
5 - Scambiatore verticale a fascio tubiero (EXl, EX2, EX3) senza mantello cilindrico verticale disposto secondo l'asse del cesto con diametro del fascio tubiero inferiore al diametro della parete non perforata di cui al punto 3, essendo detto scambiatore collegato a tenuta con lo scambiatore del letto successivo.
In altre parole, si è trovato che le reazioni esotermiche di sintesi catalitiche eterogenee vengono ottimizzate allorché si impiega un reatore critico ad esempio del tipo rappresentato nel disegno nel quale:.
— il numero n di letti catalitici (CI, C2, C3), il numero di scambiatori a fascio tubiero (EXl, EX2, EX3), ed il numero di mezzi di adduzione di gas di scambio (1, 2, 3) sono uguali tra loro, e sono ad esempio come in figura tre, cioè per ogni letto si ha uno scambiatore ed un tubo di adduzione di gas di scambio;
— il gas di reazione (GR) scende con flusso (A) dall'alto verso il basso tra mantello (M) e parete (28) di cartuccia (CU) e risale come flusso (A' ) dal basso verso l'alto attraversando un primo scambiatore es. (EXl) all'esterno del fascio tubiero con flusso (A'), i tubi di (EXl) essendo percorsi internamente dalla totalità del gas reagito (25' );
— criticamente il mezzo o tubo di adduzione (TI) del primo flusso di gas di scambio (1) penetra dal basso nella zona più centrale del fascio tubiero di (EXl) per sfociare in un corpo al-
M largato di miscelazione (30) al quale affluisce (A' ) costretto ad entrare nel condotto (29) alla sommità di (EXl);
— il gas (30' ) in (30) [miscele di gas di reazione (A' ) e di gas di scambio (1)] risale ora (EX2) all'interno dei tubi come flusso (Ai), l'esterno di detti tubi essendo investito dai gas caldi reagiti (25) raccolti nel collettore (26);
— detto flusso (Ai) sfocia in un altro corpo chiuso (31) dove arriva dall'alto il flusso di gas di scambio (2) tramite il tubo centrale (T2);
— criticamente la miscela (31') di (31) risale ancora internamente il fianco tubiero di (EX3) e sfocia come flusso (31") nello spazio libero (32) alla sommità della cartuccia (CU) alla quale perviene l'ulteriore flusso di scambio (3). La miscela (32' ) in (32) è quella che ridiscende come flusso (A' ' ) e penetra nei vari letti catalitici (CI, C2, C3).
35 Nel disegno e nella descrizione ci si è riferiti per semplicità ai reattori assiali-radiali secondo precedenti brevetti e domande di brevetto della Richiedente (il cui contenuto è da considerare incorporato in questa descrizione) ma è evidente che l'idea di soluzione secondo il trovato è applicabile anche a reattori di ti-40 po diverso da quello assiale-radiale (esempio semplicemente ra-• diali).
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1 foglio disegni

Claims (5)

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1. Reattori per sintesi catalitiche dell'ammoniaca, metanolo ed alcoli superiori, consistenti di un mantello esterno (M), di una cartuccia interna (CU) comportante una parete piena esterna (28) formatrice di intercapedine (10) con la parete interna del mantello, di n letti catalitici (Cl, C2 ... Cn) formati, da catalizzatore granulare disposto tra il fondo chiuso (FO), o fondo e coperchio chiusi, e due pareti cilindriche concentriche perforate (Pe, Pi), di mezzi per l'adduzione dei gas di reazione (GR), di mezzi per l'estrazione dei gas reagiti (OU), di scambiatori di calore (EXl, EX2, EX3) allineati assialmente al centro dei letti catalitici e consistenti di fasci tubieri, e di mezzi (1, 2, 3) per l'adduzione ad essi di gas fresco di scambio, caratterizzati da:
— n mezzi (1, 2, 3) di adduzione di gas fresco di scambio, n -1 (1, 2) dei quali attraversano centralmente ciascuno un letto catalitico (Cl, C2),
— mezzi per guidare il gas di reazione attraversante dall'alto verso il basso l'intercapedine (10) tra mantello (M) e cartuccia (CU) facendolo passare esternamente al fascio tubiero di almeno uno scambiatore inferiore (EXl) il quale viene attraversato internamente (A'i) dalla massa dei gas reagiti (25') diretti all'uscita (OU) del reattore, e, nella sua risalita verso la sommità, internamente ai tubi degli altri scambiatori (EX2, EX3), e
— mezzi (26) per mescolare alla sommità di ogni scambiatore detto gas di reazione e detti gas di scambio.
2. Reattori secondo la rivendicazione 1, caratterizzati dal fatto che almeno una delle due pareti di ogni letto presenta una zona minoritaria non perforata ed il gas di reazione attraversa il letto catalitico assialmente in detta zona non perforata e radialmente in tutta l'altra zona.
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RIVENDICAZIONI
3. Reattori secondo la rivendicazione 2, caratterizzati dal fatto che la parete del letto a zona minoritaria non perforata è quella interna, e che forma un'intercapedine con una parete piena concentrica ancora più interna che si estende a partire dal fondo per un'estensione assiale leggermente inferiore a quella della porzione maggioritaria perforata di detta parete interna a contatto col catalizzatore.
4. Reattori secondo la rivendicazione 1, caratterizzati dal fatto che al massimo n -2 degli n -1 mezzi di adduzione di gas di scambio sfociano in spazi chiusi disposti in testa ad n -2 scambiatori, nei quali spazi avviene la miscelazione col gas di reazione che ha percorso dapprima esternamente e poi internamente i fasci tubieri, almeno uno dei detti mezzi di adduzione sfociando in uno spazio aperto alla sommità del reattore.
5. Reattore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato da: tre letti catalitici, tre scambiatori a fascio tubiero disposti centralmente ai detti letti catalitici, e tre tubi di adduzione dei gas di scambio, due dei quali attraversano centralmente due scambiatori e sfociano in spazi chiusi di miscelazione, il terzo tubo di adduzione sfociando nello spazio aperto in testa alla cartuccia.
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