ES2248207T3 - Dispositivo y procedimiento para la reformacion de hidrocarburos. - Google Patents
Dispositivo y procedimiento para la reformacion de hidrocarburos.Info
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Abstract
Un aparato para un proceso de reforma de hidrocarburos, que comprende: al menos una cámara de combustión (16) que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo; al menos una cámara de convección (18) que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto a dicho primer extremo; al menos un quemador (24) dispuesto en dicha cámara de combustión, estando adaptado dicho quemador para quemar un combustible, generando de esta manera un gas de la combustión que tiene calor sensible; medios de comunicación (20) entre dicha cámara de combustión (16) y dicha cámara de convección (18), donde al menos una porción de dicho gas de la combustión fluye desde dicha cámara de combustión (16) hasta dicha cámara de convección (18) en un primer lugar adyacente a dicho primer extremo de dicha cámara de convección (18); medios de transferencia, donde al menos una porción de dicho gas de la combustión fluye hasta un segundo lugar en dicha cámara de convección (18) adyacente a dicho segundo extremo de dicha cámara de convección (18); una primera cámara de reacción (22), estando dispuesta una porción substancial de dicha primera cámara de reacción (22) en dicha cámara de combustión (1); y una segunda cámara de reacción (26), estando dispuesta una porción substancial de dicha segunda cámara de reacción (26) en dicha cámara de convección (18).
Description
Dispositivo y procedimiento para la reformación
de hidrocarburos.
Esta invención se refiere a procesos para la
producción de un gas que contiene hidrógeno y óxidos de carbono
(tales como gas de síntesis metanol) por medio de la reforma en
vapor de un material de alimentación de hidrocarburos y, en
particular, a un aparato y un método para procesos de reforma de
hidrocarburos, que utilizan calor sensible de alto grado de gas de
combustión y gas de síntesis producto para generar gas producto
adicional y para reducir al mínimo la exportación de vapor.
El proceso de reforma en vapor es un proceso
químicos bien conocido para la reforma de hidrocarburos. Una mezcla
de hidrocarburos y de vapor (una "alimentación mixta")
reacciona en presencia de un catalizador para formar hidrógeno,
monóxido de carbono y dióxido de carbono. Puesto que la reacción de
reforma es fuertemente endotérmica, debe alimentarse calor a la
mezcla de reactivos, tal como calentando los tubos en un horno o
reformador. La cantidad de reforma conseguida depende de la
temperatura del gas que abandona el catalizador; las temperaturas de
salida en el intervalo entre 700º y 900º C son típicas para la
reforma convencional de hidrocarburos.
Los procesos de reforma en vapor catalizador
convencionales queman combustible para proporcionar la energía
requerida para la reacción de reforma. En un reformador de un
proceso convencional de este tipo, se quema típicamente combustible
en corriente simultánea con la entrada de gas de alimentación frío
para aumentar al máximo el flujo de calor a través de la(s)
pared(es) de tubos por transferencia de calor radiante
directamente desde la llama. Aguas abajo desde el extremo del
quemador, tanto el gas producto como también el gas de la combustión
salen a temperaturas relativamente altas. El contenido de energía de
estos gases es recuperado habitualmente precalentado el gas de
alimentación del reformados o generando vapor. Como resultado, el
proceso genera exceso de vapor que debe ser exportado para mejorar
la eficiencia general del proceso de reforma de vapor y para hacer
que el proceso sea económicamente factible a la vista del hecho de
que se ha añadido equipo significativo para generar el exceso de
vapor.
Cada uno de los procesos descritos en las
patentes de los Estados Unidos Nº 5.199.961 (Ohsaki y col.) y Nº
4.830.834 (Stahl y col.) y en la patente europea Nº EP 0 911 076 A1
(Stahl) utilizan una porción de la energía sensible disponible
dentro de la caldera del reformador, permitiendo de esta manera que
el gas producto y el gas de la combustión salgan a temperaturas más
bajas que las temperaturas de salida correspondientes para la
reforma en vapor convencional. Estos procesos de reforma reciben
calor desde el combustible utilizando una combinación de: (a) una
pared de igualación (hecha de baldosas, material refractario, o
metales) para recibir calor radiante directamente desde la llama,
desde la que se transfiere calor al / los tubo(s) del
reformador por calor radiante; y (2) una disposición de un flujo a
contra-corriente del gas de la combustión caliente
con la alimentación de entrada, que transfiere energía sensible a la
alimentación de entrada por convección a través de la pared del
tubo. Estas técnicas permiten controlar la temperatura del
revestimiento de los tubos del reformador dentro del límite de
diseño; en otro caso, la temperatura será excesiva debido al calor
radiante intensivo alto de la llama. Sin embargo, estos procesos
adolecen de una limitación del flujo de calor evitando el calor
radiante directo desde la llama hasta el tubo, como se utiliza
comúnmente en los reformadores convencionales.
La patente de los Estados Unidos Nº 5.945.074
(Waterreus y col.) describe túneles para eliminar gases productos de
la combustión desde una cámara de combustión. Los túneles sirven
para compensar o mantener un flujo uniforme de los gases de la
combustión a través del horno, pero no utilizan el calor sensible de
alta temperatura del gas de la combustión.
Para recuperar el calor sensible del gas
producto, los procesos de reforma de hidrocarburos de la técnica
anterior utilizan una disposición de un tubo dentro de un tubo
(tubo-en-tubo) con catalizador en
los anillos, ver por ejemplo el documento
EP-A-0 275 549 A. La alimentación
fría en los anillos fluye a contra-corriente con la
combustión o el gas de la combustión desde el lado exterior y
absorbe el calor de la combustión tanto del calor radiante como del
valor de convección transferidos a través de la pared exterior de
los tubos. El flujo de gas de reforma es invertido en el extremo del
lecho del catalizador y entra en el paso más interior del tubo. El
gas reformado cede entonces calor al flujo a
contra-corriente de la alimentación frío de
entrada. Sin embargo, el proceso de transferencia de calor de
convección desde el gas producto caliente hasta las reacciones de
reforma no es efectivo, debido a que no existe ninguna fuerza de
impulsión de la temperatura en el punto de inversión. Como
resultado, se requiere más área superficial de transferencia de
calor para utilizar el calor sensible al gas producto. Como
consecuencia, la falta de transferencia de calor radiante intensivo
desde el lado exterior y la transferencia inefectiva de calor por
convección en el lado interior dan como resultado un requerimiento
de tubo-en-tubo grande.
Tal disposición de
tubo-en-tubo se conoce a partir del
documento EP-A-0 275 549 A y es
particularmente útil para plantas de potencia de células de
combustible metanol compactas. La caldera de dicho reformador de
combustible / calor tiene una cámara anular que contiene un lecho
catalizador. La cámara anular está rodeada por una zona de calor, y
los tubos de calor desde la zona de calefacción se extienden a
través del interior del lecho catalizador, por lo que el catalizador
es calentado de forma concurrente desde el lado interior y desde el
lado exterior del lecho. Un quemador está colocado coaxialmente con
la cámara anular para suministrar el calor requerido. Combustible
crudo es alimentado a una cámara de vaporización por debajo del
lecho del catalizador; después de la vaporización, el combustible
crudo se eleva a través del lecho catalizador para conversión en un
gas combustible rico en hidrógeno. El gas combustible es recogido en
una cámara por encima del lecho
catalizador.
catalizador.
Otro reactor catalítico para reacciones
endotérmicas se conoce a partir del documento WO 95/11745 A. El
catalizador está localizado en una carcasa fabricada de metal
refractario y al menos una caldera de catalizador tubular está
dispuesta dentro de dicha carcasa. Con el fin de evitar daños
térmicos a la caldera del reactor, se disponen varias calderas de
catalizador espaciadas mutuamente en la carcasa; además, se coloca
una pluralidad de quemadores en la carcasa, de tal forma que las
calderas de catalizador están colocadas entre los quemadores; el
área de la llama de los quemadores está dispuesta en la zona de los
disipadores de calor con el fin de asegurar una combustión no
adiabática.
Finalmente, el documento US 4.714.3593 A muestra
un aparato para una reacción endotérmica, tal como una reforma en
vapor de gas hidrocarburo, que comprende una caldera de reacción
intercalada o rodeada por un aparato de generación de calor. En el
aparato de generación de calor, un gas combustible primario y aire
son alimentados y mezclados dentro, luego pasan a través de una
sección de calefacción de gas combustible, un lecho catalizador de
combustión, una sección de combustión y una sección de descarga en
dicho orden. Un gas combustible secundario es alimentado a la
sección de combustión, típicamente en una pluralidad de etapas. Al
menos una parte de la sección de combustión está empaquetada con
cuerpos de transmisión de calor, que reciben calor desde el gas de
la combustión que pasa a través de ellos por convección y que
irradian calor a la caldera de reacción. El calor del gas de la
combustión es transferido de esta manera al gas de la reacción que
fluye a través de la pared de la caldera de reacción por radiación
desde los cuerpos de transmisión de calor.
Es deseable tener un aparato y un método para
procesos de reforma de hidrocarburos que solucionen las
dificultades, problemas, limitaciones, inconvenientes y deficiencias
de la técnica anterior para proporcionar resultados mejores y más
ventajosos.
Además, es deseable tener un aparato y un método
para un proceso de reforma de hidrocarburos que utilizan calor
sensible de alto grado de gas de la combustión y gas de síntesis de
producto para generar gas producto adicional y para reducir al
mínimo la exportación de vapor.
Todavía es deseable, además, tener un proceso y
un más eficientes y económicos para la reforma de hidrocarburos.
Los objetos mencionados anteriormente se
consiguen por las características de las reivindicaciones
independientes 1, 9 y 12.
Las formas de realización adecuadas se definen
por las características de las reivindicaciones dependientes
asociadas.
La invención es un aparato y método para un
proceso de reforma de hidrocarburos. Una primera forma de
realización del aparato incluye una caldera que tiene al menos una
pared de separación dispuesta en la caldera. La al menos una pared
de separación divide la caldera en una pluralidad de cámaras, que
incluyen al menos una cámara de combustión y al menos una cámara de
convección. Cada una de las cámaras tiene un primer extremo y un
segundo extremo opuesto al primer extremo. Al menos un quemador está
dispuesto en la cámara de combustión. El quemador está adaptado para
quemar un combustible, generando de esta manera un gas de combustión
que tiene calor sensible. El aparato incluye también medios de
comunicación entre la cámara de combustión y la cámara de
convección, donde al menos una porción del gas de la combustión
fluye desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección en
una primera localización adyacente al primer extremo de la cámara de
convección. El aparato incluye también medios de transferencia,
donde al menos una porción del gas de la combustión fluye hasta un
segundo lugar en la cámara de convección adyacente al segundo
extremo de la cámara de convección. El aparato incluye también
cámaras de reacción múltiples, que incluyen una primera cámara de
reacción y una segunda cámara de reacción. Una porción substancial
de la primera cámara de reacción está dispuesta en la cámara de
combustión, y una porción substancial de la segunda cámara de
reacción está dispuesta en la cámara de convección.
En una forma de realización preferida, las
cámaras de reacción, que son con preferencia dispositivos tubulares,
son tubos del reformador. Los dispositivos tubulares pueden ser
tubos radiantes del reformador o dispositivos de
tubo-en-tubo.
Existen muchas variaciones de la primera forma de
realización. En una variación, una primera porción de una
alimentación mixta fluye a través de la primera cámara de reacción
en corriente simultánea con un flujo del gas de la combustión en la
cámara de combustión, y una segunda porción de la alimentación mixta
fluye a través de la segunda cámara de reacción a
contra-corriente con el flujo del gas de la
combustión en la cámara de convección.
En otra variación, una porción substancial de la
primera cámara de reacción está substancialmente vertical dentro de
la cámara de combustión. Todavía en otra variación, una porción
substancial de una segunda cámara de reacción está substancialmente
vertical dentro de la cámara de convección.
En otra variación de la primera forma de
realización, la segunda cámara de reacción es un
tubo-en-tubo. En una variación de
esa variación, una primera porción de una alimentación mixta fluye a
través de la primera cámara de reacción en corriente simultánea con
un flujo del gas de la combustión en la cámara de combustión, y una
segunda porción de la alimentación mixta fluye a través de la
segunda cámara de reacción a contra-corriente con el
flujo del gas de la combustión en la cámara de convección. En una
variación de esa variación, una primera porción de la alimentación
mixta fluye en una porción anular del
tubo-en-tubo, y un gas de síntesis
de producto fluye en una porción tubular interior del
tubo-en-tubo a
contra-corriente con la primera porción de la
alimentación mixta.
En otra variación de la primera forma de
realización, la primera cámara de reacción es un
tubo-en-tubo. En una variación de
esa variación, una primera porción de una alimentación mixta fluye a
través de la primera cámara de reacción en corriente continua con un
flujo del gas de la combustión en la cámara de combustión, y una
segunda porción de la alimentación mixta fluye a través de la
segunda cámara de reacción a contra-corriente con el
flujo del gas de la combustión en la cámara de convección. En una
variación de esa variación, la primera porción de la alimentación
mixta fluye en una porción anular del
tubo-en-tubo, y un gas de síntesis
producto fluye en una porción tubular interior del
tubo-en-tubo a
contra-corriente con la primera porción de la
alimentación mixta.
Otra forma de realización de la invención es
similar a la primera forma de realización, pero incluye medios de
comunicación entre la primera cámara de reacción y la segunda cámara
de reacción, por lo que un fluido fluye desde o hasta dicha primera
cámara de reacción hasta o desde dicha segunda cámara de
reacción.
Todavía en otra forma de realización de la
invención, el aparato incluye al menos una cámara de combustión y al
menos una cámara de convección, teniendo cada una de las cámaras un
primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo. Al
menos un quemador está dispuesto en la cámara de combustión. El
quemador está adaptado para quemar un combustible, generando de esta
manera un gas de la combustión que tiene calor sensible. El aparato
incluye también medios de comunicación entre la cámara de combustión
y la cámara de convección, por lo que al menos una porción del gas
de la combustión fluye desde la cámara de combustión hasta la cámara
de convección en un primer lugar adyacente al primer extremo de la
cámara de convección. El aparato incluye también medios de
transferencia, por lo que al menos una porción del gas de la
combustión fluye hasta un segundo lugar en la cámara de convección
adyacente al segundo extremo de la cámara de convección. El aparato
incluye también múltiples cámaras de reacción, que incluyen una
primera cámara de reacción y una segunda cámara de reacción. Una
porción substancial de la primera cámara de reacción está dispuesta
en la cámara de combustión, y una porción substancial de la segunda
cámara de reacción está dispuesta en la cámara de convección.
En una forma de realización preferida de esta
forma de realización, las cámaras de reacción, que son con
preferencia dispositivos tubulares, son tubos de reformador. Los
dispositivos tubulares pueden ser tubos radiantes de reformador o
dispositivos de tubo-en-tubo.
Otro aspecto de la invención es un conjunto de
unidades múltiples para un proceso de reforma de hidrocarburos,
comprendiendo cada unidad un aparato como en la primera forma de
realización (u otra de las formas de realización). Muchas formas de
realización de este aspecto se describen a continuación y se
ilustran en los dibujos. Por ejemplo, en una forma de realización,
el conjunto incluye también al menos un conducto que conecta una
primera cámara de convección y una segunda cámara de convección de
al menos una cámara de convención en al menos una unidad. Otra forma
de realización incluye esas mismas características, pero incluye
también al menos un paso de convección en comunicación con al menos
un conducto.
Todavía otro aspecto de la invención es un método
para producir un producto a partir de un proceso de reforma en
vapor. Una primera forma de realización del método incluye múltiples
etapas. La primera etapa consiste en proporcionar al menos una
cámara de combustión, al menos una cámara de convección y un medio
de comunicación entre la cámara de combustión y la cámara de
convección, teniendo cada una de las cámaras un primer extremo y un
segundo extremo opuesto al primer extremo. Estando adaptado el medio
de comunicación para transmitir un flujo de gas de la combustión
desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección. La
segunda etapa consiste en quemar un combustible en la cámara de
combustión y un gas de la combustión que tiene un calor sensible. La
tercera etapa consiste en transferir al menos una porción del gas de
la combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de
convección, donde al menos una porción del gas de la combustión
transferido fluye desde un primer lugar adyacente al primer extremo
de la cámara de convección hasta un segundo lugar adyacente al
segundo extremo de la cámara de convección. La cuarta etapa consiste
en alimentar una primera porción de una alimentación mixta a una
primera cámara de reacción, estando dispuesta una porción
substancial de la primera cámara de reacción en la cámara de
combustión, donde la primera porción de la alimentación mixta
absorbe al menos una porción del calor de la combustión. La quinta
etapa consiste en alimentar una segunda porción de la alimentación
mixta hasta una segunda cámara de reacción, estando dispuesta una
porción substancial de la segunda cámara de reacción en la cámara de
convección, donde la segunda porción de la alimentación mixta
absorbe al menos una porción del calor sensible del gas de la
combustión que fluye desde el primer lugar hasta el segundo lugar en
la cámara de convección.
Existen muchas variaciones de la primera forma de
realización del método. En una variación, la primera porción de la
alimentación mixta fluye en corriente continua con un flujo de gas
de la combustión en la cámara de combustión. En otra variación, la
alimentación mixta fluye a contra-corriente con el
gas de la combustión que fluye desde el primer lugar hasta el
segundo lugar en la cámara de convección.
Otra forma de realización del método es similar a
la primera forma de realización del método, pero incluye una etapa
adicional. La etapa adicional consiste en la extracción de un vapor
del producto desde la primera cámara de reacción. En una variación
de esta forma de realización, la corriente del producto fluye a
contra-corriente con la primera porción de la
alimentación mixta.
Todavía otra forma de realización del método es
similar a la primera forma de realización del método, pero incluye
una etapa adicional. La etapa adicional consiste en extraer una
corriente del producto desde la segunda cámara de reacción. En una
variación de esta forma de realización, la corriente del producto
fluye a contra-corriente con la segunda porción de
la alimentación mixta.
Todavía otra forma de realización del método es
similar a la primera forma de realización del método, pero incluye
una etapa adicional. La etapa adicional consiste en proporcionar
medios de comunicación entre la primera cámara de reacción y la
segunda cámara de reacción, donde una corriente del producto fluye
desde o hasta la primera cámara de reacción hasta o desde la segunda
cámara de reacción.
En todas las formas de realización del método,
las cámaras de reacción son con preferencia dispositivos tubulares,
tales como tubos de reformador. Los dispositivos tubulares pueden
ser tubos radiantes del reformado o dispositivos de
tubo-en-tubo.
A continuación se describirán formas de
realización de la invención a modo de ejemplo con referencia a los
dibujos que se acompañan, en los que:
La figura 1 es una vista en planta de la sección
transversal esquemática del aparato para una forma de realización de
la invención.
La figura 2 es una vista en alzado esquemática
parcial de la sección transversal de la forma de realización de la
invención mostrada en la figura 1.
Las figuras 3, 4 y 5 son vistas en planta
esquemáticas de la sección transversal de la caldera de la presente
invención que tiene diferentes formas -cuadrada, circular y
hexagonal.
La figura 6 es una vista en alzado parcial
esquemática de la sección transversal de otra forma de realización
de la invención.
La figura 7 es una vista en alzado parcial
esquemática de la sección transversal de otra forma de realización
de la invención.
La figura 8 es una vista en alzado parcial
esquemática de la sección transversal de otra forma de realización
de la invención.
La figura 9 es una vista en planta esquemática de
la sección transversal de una disposición modular de múltiples
unidades cuadradas del aparato de la presente invención.
La figura 10 es una vista en planta parcial
esquemática de la sección transversal de dos unidades modulares del
aparato lado-a-lado con conductos
que conectan las cámaras de convección de ambas unidades a un paso
de convección común localizado entre las unidades.
La figura 11 es una vista en planta parcial
esquemática de la sección transversal de dos unidades modulares del
aparato lado-a-lado con conductos
que conectan las cámaras de convección de ambas unidades a un paso
de convección común localizado en un lado de una de las
unidades.
La figura 12 es una vista en planta parcial
esquemática de dos unidades modulares del aparato
lado-a-lado con conductos sobre el
lado exterior que conectan las cámaras de convección de las unidades
a un paso de convección común localizado entre las unidades.
La figura 13 es una vista en planta parcial
esquemática de dos unidades modulares del aparato
lado-a-lado con conductos sobre el
lado exterior que conectan las cámaras de convección de las unidades
a un paso de convección común localizado en un lado de una de las
unidades.
La figura 14 es un diagrama esquemático de una
disposición de cuatro unidades modulares del aparato
lado-a-lado con conductos sobre el
lado interior que conectan las cámaras de convección de las unidades
a un paso de convección común.
La figura 15 es un diagrama esquemático de una
disposición de cuatro unidades modulares del aparato
lado-a-lado con conductos sobre el
lado exterior que conectan las cámaras de convección de las unidades
a un paso de convección común.
La figura 16 es un diagrama esquemático de una
disposición de ocho unidades modulares del aparato
lado-a-lado con conductos sobre el
lado interior que conectan las cámaras de convección de las unidades
a un paso de convección común.
La figura 17 es un diagrama esquemático de una
disposición de ocho unidades modulares del aparato
lado-a-lado con conductos sobre el
lado exterior que conectan las cámaras de convección de las unidades
a un paso de convección común.
La figura 18 es una vista en planta esquemática
de la sección transversal del aparato para otra forma de realización
de la invención; y
La figura 19 es una vista en alzado parcial
esquemática de la forma de realización de la invención mostrada en
la figura 18.
La presente invención utiliza paredes de
separación 14 para separar el horno o reformador en dos tipos
diferentes de cámaras: (1) una cámara de combustión 16, y (2)
cámaras de convección 18, como se muestra en las figuras 1 y 2.
La cámara de combustión 16 contiene uno o más
quemadores 24 y tubos radiantes convencionales y/o una disposición
de tubo-en-tubo convencional
expuesta directamente a la llama del quemador, similar a la de los
reformadores convencionales. Sin embargo, el flujo de corriente
continua de los gases producto del proceso y de la combustión de la
presente invención proporciona un flujo de calor máximo a los tubos
de reformador sin las limitaciones observadas en la técnica
anterior.
Las cámaras de convección 18 no contienen un
quemador, sino que reciben los productos calientes de la combustión
desde la cámara de combustión 16. Las cámaras de convección
contienen también tubos de reformador convencionales y/o una
disposición de tubo-en-tubo para
recuperar el calor sensible desde el gas de la combustión desde el
lado exterior y el gas producto caliente desde el lado interior. El
flujo a contra-corriente de la alimentación mixta
(vapor más alimentación de hidrocarburos) y el gas de la combustión
caliente en las cámaras de convección permite que el gas de la
combustión abandonen el reformador a una temperatura
substancialmente más baja en comparación con un reformador
convencional. Por lo tanto, no se requiere ninguna bobina de choque
y se requiere un paso de convección mucho más pequeño para recuperar
el calor sensible del gas de la combustión remanente. Además, las
cámaras de convección sirven como un medio para proporcionar un
flujo uniforme de gas de combustión en la cámara de combustión.
Además, el flujo a contra-corriente de la
alimentación mixta y el gas producto de síntesis permite al gas de
síntesis abandonar el reformador a una temperatura relativamente
baja que permite el uso de una caldera sencilla en lugar de una
caldera de calor residual de gas de proceso compleja como en los
procesos de reforma en vapor convencionales.
Con referencia a las figuras 1 a 2, el aparato 10
de la presente invención incluye una caldera revestida refractaria
12. La caldera contiene paredes de separación 14 que dividen el lado
interior de la caldera en una cámara de combustión 16 (o sección
radiante) que contiene quemador(es) 24 y una o más cámaras de
convección 18 más pequeñas (o secciones de convección) utilizadas
como un medio para eliminar productos de la combustión de la cámara
de combustión. En el extremo alejado opuesto al extremo del quemador
de la caldera, las paredes de separación tienen uno o más orificios
20 que permiten que los productos de combustión procedentes de la
cámara de combustión entren en las cámaras de convección más
pequeñas y retornen al extremo del quemador antes de salir de la
caldera. En las cámaras de convección, se pueden utilizar
desviadores (no se muestran) para mejorar la transferencia de calor
por convección. Las cámaras de convección están diseñadas para
mantener la velocidad alta del gas de la combustión y para mantener
de esta manera la transferencia de calor por convección antes de que
el gas de la combustión salga desde la caldera. Cada pared de
separación se puede fabricar a partir de una lámina de metal de alta
capacidad de emisión aislado sobre el lado de la combustión, o puede
ser una pared refractaria fabricada de un material compuesto de
materiales refractarios convencionales, tales como ladridos cocidos
a alta temperatura. En el último caso, el lado de convección de la
pared refractaria está revestido con un material de alta
emisividad.
Los tubos radiantes de reformador convencionales
22 o los dispositivos de
tubo-en-tubo convencionales con
catalizador en sus anillos se utilizan en la cámara de combustión 16
para utilizar calor radiante intensivo alto directamente desde el
bastidor del / los
quemador(es) 24. Los tubos de catalizador de reformador 26 convencionales -los dispositivos de tubo-en-tubo con catalizador en sus anillos, o los dispositivos de tubo-en-tubo que se conectan con los tubos radiantes desde la cámara de combustión para recibir el gas producto caliente desde los tubos radiantes- están colocados en las cámaras de convección 18 para recuperar el calor sensible desde el gas de la combustión y el gas producto desde la reacción de reforma.
quemador(es) 24. Los tubos de catalizador de reformador 26 convencionales -los dispositivos de tubo-en-tubo con catalizador en sus anillos, o los dispositivos de tubo-en-tubo que se conectan con los tubos radiantes desde la cámara de combustión para recibir el gas producto caliente desde los tubos radiantes- están colocados en las cámaras de convección 18 para recuperar el calor sensible desde el gas de la combustión y el gas producto desde la reacción de reforma.
Las figuras 3, 4 y 5 muestran varias formas
diferentes de la caldera 12, que se pueden utilizar para la presente
invención. Las formas factibles incluyen, pero no están limitadas a
formas cilíndricas, triangulares, cuadradas, rectangulares, y
hexagonales. Se puede utilizar cualquier forma que permita paredes
de separación 14 entre al menos una cámara de combustión 16 (que
tiene al menos un quemador 24) y al menos una cámara de convección
18 que tiene medios 32 para una salida de gas de la combustión).
La figura 2 muestra una configuración que tiene
un tubo radiante 22 convencional en la cámara de combustión 16 y
dispositivos de tubo-en-tubo en las
cámaras de convección 18. En el extremo opuesto al extremo del
quemador, el tubo radiante y los dispositivos de
tubo-en-tubo están conectados a un
distribuidor común (no se muestra) por cables flexibles de conexión
28 o por cables flexibles de conexión 30 individuales que
transfieren directamente el gas de síntesis caliente desde el tubo
radiante hasta los dispositivos de
tubo-en-tubo. En esta disposición,
la alimentación mixta entra en el tubo radiante por la entrada 38 y
en los dispositivos de tubo-en-tubo
pos las entradas 34. El gas de la combustión sale por las cámaras de
convección por las salidas del gas de la combustión 32, y el gas de
síntesis producto sale de los dispositivos de
tubo-en-tubo por las salidas de
syngas 36. La alimentación mixta en el tubo radiante fluye en
corriente continua con los productos de la combustión en la cámara
de combustión. La alimentación mixta en los anillos de los
dispositivos de tubo-en-tubo fluye a
contra-corriente al gas de la combustión caliente en
las cámaras de convección. El calor sensible del gas de la
combustión y el calor sensible del gas producto se utilizan para
generar más gas de síntesis producto. Las temperaturas del gas de la
combustión de salida y del gas producto se pueden variar para
generar vapor adicional, si es necesario.
La figura 6 muestra otra configuración del
aparato 10 de la presente invención dispuesto de una manera
diferente a la configuración de la figura 2. En la figura 6, se
colocan tubos radiantes 122 convencionales en las cámaras de
convección 18 y un dispositivo de
tubo-en-tubo 126 con catalizador en
los anillos está colocado en la cámara de combustión 16. La
alimentación mixta entra en los tubos radiantes por las entradas 138
y en el dispositivo de tubo-en-tubo
por la entrada 134. El gas de síntesis caliente circula desde los
tubos radiantes en las cámaras de convección hasta el dispositivo de
tubo-en-tubo en la cámara de
combustión. El gas de síntesis producto sale por el dispositivo de
tubo-en-tubo por la salida de syngas
136.
La figura 8 muestra otra configuración del
aparato 10, en la que los dispositivos de
tubo-en-tubo 226 con catalizador en
los anillos son utilizados tanto en la cámara de combustión 16 como
también en las cámaras de convección 18. La alimentación mixta entre
en los dispositivos de tubo-en-tubo
por las entradas 234, y el gas de síntesis producto sale por las
salidas de syngas 236. Esta configuración utiliza calor de alto
grado del gas producto en su tubo propio, reduce al mínimo las
líneas de transferencia de gas caliente, facilita la adición de
capacidad adicional y facilita la variación de la exportación de
vapor, si es necesario.
La figura 7 muestra otra configuración del
aparato 10, en la que se utilizan tubos radiantes 322 convencionales
tanto en la cámara de combustión 16 como también en las cámaras de
convección 18. En esta disposición, solamente el calor sensible de
alto grado del gas de la combustión es utilizado para generar más
productos. La alimentación mixta entra en los tubos radiantes por
las entradas 338, y el gas de síntesis producto sale a través de
cables flexibles de conexión 28. El calor sensible del gas producto
se puede utilizar para generar vapor extra, si es necesario, o
producto adicional externamente en un dispositivo convencional
separado, tal como se muestra en las patentes de los Estados Unidos
Nº 5.122.299 (Le Blanc) y 5.006.131 (Karafian, y col.).
Todas las disposiciones de quemador en las
cámaras de combustión mostradas en las figuras 2, 6 y 8 se pueden
cambiar de posición para conseguir una combustión baja. El flujo de
gas proceso (o alimentación mixta) se pueden disponer de una manera
adecuada para aumentar al máximo el calor absorbido desde la
combustión de combustible. Los técnicos en la materia reconocerán
que los quemadores pueden ser localizados también en otros lugares a
los mostrados en los dibujos, tal como en cualquier punto sobre las
paredes laterales de la cámara de combustión.
La figura 9 muestra una disposición de un
reformador que combina varias unidades modulares cuadradas del
aparato 10 para incrementar la capacidad de producción de
syngas.
La figura 10 muestra una configuración que tiene
dos unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con conductos de gas de
la combustión 40 que conectan las cámaras de convección 18 de las
dos unidades a un paso de convección común 42 localizado entre las
unidades. Se pueden añadir unidades adicionales por encima o por
debajo de las unidades mostradas y/o lateralmente (por ejemplo,
hacia la derecha o hacia la izquierda de las unidades
mostradas).
La figura 11 muestra otra configuración que tiene
dos unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con los conductos de gas
de la combustión 40 conectando las cámaras de convección 18 de ambas
unidades a un paso de convección común 42 sobre un lado de una de
las unidades. Se pueden añadir unidades adicionales por encima o por
debajo de las unidades mostradas y/o lateralmente (por ejemplo, a la
derecha o a la izquierda de las unidades mostradas).
La figura 12 muestra otra configuración que tiene
dos unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con los conductos de gas
de la combustión 40 sobre el lado exterior que conecta todas las
cámaras de convección 18 a un paso de convección común 42 localizado
entre las unidades. Se pueden añadir unidades adicionales por encima
o por debajo de las unidades mostradas y/o lateralmente (por
ejemplo, a la derecha o a la izquierda de las unidades
mostradas).
La figura 13 muestra otra configuración que tiene
dos unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con los conductos de gas
de la combustión 40 sobre el lado exterior conectando todas las
cámaras de convección 18 hasta un paso de convección común 42
localizado sobre un lado de una de las unidades. Se pueden añadir
unidades adicionales por encima o por debajo de las unidades
mostradas y/o lateralmente (por ejemplo, a la derecha o a la
izquierda de las unidades mostradas).
La figura 14 muestra otra configuración que tiene
cuatro unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con los conductos de gas
de la combustión 40 sobre el lado interior conectando todas las
cámaras de convección 18 hasta un paso de convección común 42.
La figura 16 muestra otra configuración que tiene
ocho unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con los conductos de gas
de la combustión 40 sobre el lado interior conectando todas las
cámaras de convección 18 hasta un paso de convección común 42.
La figura 17 muestra otra configuración que tiene
ocho unidades modulares del aparato 10
lado-a-lado con los conductos de gas
de la combustión 40 sobre el lado exterior conectando todas las
cámaras de convección 18 hasta un paso de convección común 42.
Los técnicos en la materia reconocerán que son
posibles otras configuraciones de unidades modulares y otras varias
disposiciones de las cámaras de combustión y de convección de la
presente invención. Por ejemplo, las figuras 18 y 19 muestran una
disposición, en la que no existe una pared de separación entre la
cámara de combustión 16 y la cámara de convección 18, estando
conectadas las dos cámaras por un conducto 45. Se pueden conectar
más que una cámara de convección al conducto 45 para recibir el gas
de la combustión desde la cámara de combustión 16. De una manera
alternativa, se puede(n) conectar
otra(s) cámara(s) de convección a la cámara de combustión 16 a través de otro(s) conducto(s) para recibir gas de la combustión desde la cámara de combustión. Por ejemplo, con referencia a las figuras 18 y 19, podría conectarse una segunda cámara de convección a través de un segundo conducto a la cámara de combustión sobre el lado izquierdo de la cámara de combustión (es decir, directamente opuesto a la cámara de convección y al conducto mostrados), "compensando" de esta manera el aparato.
otra(s) cámara(s) de convección a la cámara de combustión 16 a través de otro(s) conducto(s) para recibir gas de la combustión desde la cámara de combustión. Por ejemplo, con referencia a las figuras 18 y 19, podría conectarse una segunda cámara de convección a través de un segundo conducto a la cámara de combustión sobre el lado izquierdo de la cámara de combustión (es decir, directamente opuesto a la cámara de convección y al conducto mostrados), "compensando" de esta manera el aparato.
La técnica de recuperación de calor sensible de
la presente invención permite (1) reducir en una medida
significativa el equipo de intercambio de calor para recuperar el
calor sensible tanto del gas de síntesis como también de los
productos de combustión, (2) utilizar calor residual de alto grado
desde el gas de la combustión para reformar en lugar de generar
vapor excesivo como en los procesos de reforma de vapor
convencional, (3) utilizar de una manera más efectiva los tubos
reformadores costosos para recuperar calor sensible para reacciones
de reforma, (4) integrar efectivamente el gas producto caliente
desde el tubo reformador en la cámara de combustión y en el
tubo-en-tubo en las cámaras de
convección para utilizar calor sensible de alto grado para
reacciones de reforma, (5) mejorar la transferencia de calor por
convección desde el gas producto incrementando la fuerza de
accionamiento de la temperatura, (6) reducir al mínimo el equipo y
la pérdida de calor debido a las líneas de transferencia en
comparación con las técnicas convencionales, (7) variar la
exportación de vapor, a demanda, controlando las temperaturas de la
combustión o de salida del gas producto, (8) combinar las secciones
radiante y de convección en una unidad compacta que puede ser
incorporada en el taller y se puede utilizar como una unidad modular
en una configuración, donde varias unidades colocadas
lado-a-lado están conectadas con
conexiones sencillas en el campo para conseguir o para ampliar la
capacidad de producción de gas de síntesis, (9) utilizar una cámara
de convección pequeña que se puede diseñar para aumentar al máximo
la transferencia de calor por convección manteniendo la velocidad
alta del gas de la combustión.
Aunque se ha ilustrado y descrito aquí con
referencia a ciertas formas de realización específicas, la presente
invención no está destinada, sin embargo, a ser limitada a los
detalles mostrados. En su lugar, se pueden realizar varias
modificaciones en los detalles, sin apartarse de la invención.
Claims (16)
1. Un aparato para un proceso de reforma de
hidrocarburos, que comprende:
al menos una cámara de combustión (16) que tiene
un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer
extremo;
al menos una cámara de convección (18) que tiene
un primer extremo y un segundo extremo opuesto a dicho primer
extremo;
al menos un quemador (24) dispuesto en dicha
cámara de combustión, estando adaptado dicho quemador para quemar un
combustible, generando de esta manera un gas de la combustión que
tiene calor sensible;
medios de comunicación (20) entre dicha cámara de
combustión (16) y dicha cámara de convección (18), donde al menos
una porción de dicho gas de la combustión fluye desde dicha cámara
de combustión (16) hasta dicha cámara de convección (18) en un
primer lugar adyacente a dicho primer extremo de dicha cámara de
convección (18);
medios de transferencia, donde al menos una
porción de dicho gas de la combustión fluye hasta un segundo lugar
en dicha cámara de convección (18) adyacente a dicho segundo extremo
de dicha cámara de convección (18);
una primera cámara de reacción (22), estando
dispuesta una porción substancial de dicha primera cámara de
reacción (22) en dicha cámara de combustión (1); y
una segunda cámara de reacción (26), estando
dispuesta una porción substancial de dicha segunda cámara de
reacción (26) en dicha cámara de convección (18).
2. Un aparato para un proceso de reforma de
hidrocarburos de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende:
una caldera (12) que tiene al menos una pared de
separación (14) dispuesta en dicha caldera (12), donde dicha al
menos una pared de separación (14) divide dicha caldera en una
pluralidad de cámaras, incluyendo al menos una cámara de combustión
(16) y al menos una cámara de convección (18).
3. Un aparato según la reivindicación 1 ó 2, que
comprende, además:
medios de comunicación (28, 30) entre dicha
primera cámara de reacción (22) y dicha segunda cámara de reacción
(26), donde un fluido fluye desde o hasta dicha primera cámara de
reacción (22) hasta o desde dicha segunda cámara de reacción
(26).
4. Un aparato según la reivindicación 2, donde la
porción substancial de dicha primera cámara de reacción (22) está
substancialmente vertical dentro de dicha cámara de combustión
(16),
y/o la porción substancial de dicha segunda
cámara de reacción (26) está substancialmente vertical dentro de
dicha cámara de convección (18).
5. Un aparato según la reivindicación 2, en el
que dicha segunda cámara de reacción (26) y/o dicha primera cámara
de reacción (22) es / son un
tubo-en-tubo.
6. Un aparato según las reivindicaciones 2 a 5,
en el que una primera porción de una alimentación mixta fluye a
través de dicha primera cámara de reacción (22) en corriente
continua con un flujo de dicho gas de la combustión en dicha cámara
de combustión (16), y una segunda porción de dicha alimentación
mixta fluye a través de dicha segunda cámara de reacción (26) a
contra-corriente con dicho flujo de dicho has de la
combustión e dicha cámara de convección (18), donde especialmente
dicha primera porción de dicha alimentación mixta fluye en una
porción anular de dicho
tubo-en-tubo, y un gas de síntesis
producto fluye en una porción tubular interior de dicho
tubo-en-tubo a
contra-corriente con dicha primera porción de dicha
alimentación mixta.
7. Un aparato de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 a 6, en el que dichas cámaras de reacción (22,
26) están formadas por tubos de reforma.
8. Un aparato según la reivindicación 7, que
comprende, además:
medios de comunicación entre dicho primer tubo
reformador y dicho segundo tubo reformador, donde un fluido fluye
desde o hasta dicho primer tubo reformador hasta o desde dicho
segundo tubo reformador.
9. Un conjunto de múltiples unidades para un
proceso de reforma de hidrocarburos, comprendiendo cada unidad un
aparato (10) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8.
10. Un conjunto según la reivindicación 9, que
comprende, además, al menos un conducto que conecta una primera
cámara de convección (18) y una segunda cámara de convección (18) de
dicha al menos una cámara de convección en al menos una unidad.
11. Un conjunto según la reivindicación 10, que
comprende, además, al menos un paso de convección en comunicación
con dicho al menos un conducto.
12. Un método para producir un producto a partir
de un proceso de reforma de vapor, que comprende las etapas de:
proporcionar al menos una cámara de combustión
(16), al menos una cámara de convección (18) y un medio de
comunicación (20) entre dicha cámara de combustión (16) y dicha
cámara de convección (18), teniendo cada una de dichas cámaras (16,
18) un primer extremo y un segundo extremo opuesto a dicho primer
extremo, y estando adaptados dichos medios de comunicación para
transmitir un flujo de gas de la combustión desde dicha cámara de
combustión (16) hasta dicha cámara de convección (15);
quemar un combustible en dicha cámara de
combustión (16), generando de esta manera un calor de la combustión
y un gas de la combustión que tiene un calor de la combustión y un
gas de la combustión que tiene un calor sensible;
transferir al menos una porción de dicho gas de
la combustión desde dicha cámara de combustión hasta dicha cámara de
convección (18), donde al menos una porción de dicho gas de la
combustión transferido fluye desde un primer lugar adyacente a dicho
primer extremo de dicha cámara de convección (18) hasta un segundo
lugar adyacente a dicho segundo extremo de dicha cámara de
convección (18);
alimentar una primera porción de una alimentación
mixta a una primera cámara de reacción (38), estando dispuesta una
porción substancial de dicha primera cámara de reacción (38) en
dicha cámara de combustión (16), donde dicha primera porción de
dicha alimentación mixta absorbe al menos una porción de dicho calor
de la combustión; y
alimentar una segunda porción de dicha
alimentación mixta a una segunda cámara de reacción (26), estado
dispuesta una porción substancial de dicha segunda cámara de
reacción (26) en dicha cámara de convección (18), donde dicha
segunda porción de dicha alimentación mixta absorbe al menos una
porción de dicho calor sensible de dicho gas de la combustión que
fluye desde dicho primer lugar hasta dicho segundo lugar en dicha
cámara de convección (18).
13. Un método según la reivindicación 12, que
comprende una etapa adicional de extracción de una corriente del
producto desde dicha segunda cámara de reacción (38),
donde especialmente dicha corriente de dicho
producto fluye a contra-corriente con dicha segunda
porción de dicha alimentación mixta.
14. Un método según la reivindicación 12, que
comprende la etapa adicional de proporcionar medios de comunicación
entre dicha primera cámara de reacción (26) y dicha segunda cámara
de reacción (38), donde una corriente del producto fluye desde o
hasta dicha primera cámara de reacción (26) hasta o desde dicha
segunda cámara de reacción (38).
15. Un método según la reivindicación 12, que
comprende la etapa adicional de extraer una corriente del producto
desde dicha primera cámara de reacción (26);
donde especialmente dicha corriente de dicho
producto fluye a contra-corriente con dicha primera
porción de dicha alimentación mixta.
16. Un método según la reivindicación 12, donde
dicha primera porción de dicha alimentación mixta fluye en corriente
continua con un flujo de gas de la combustión en dicha cámara de
combustión,
y/o donde dicha segunda porción de dicha
alimentación mixta fluye a contra-corriente con
dicho gas de la combustión que fluye desde dicho primer lugar hasta
di segundo lugar en dicha cámara de convección (18).
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