ES2294111T5 - Conjunto reactor y refrigerador para reacciones exotérmicas - Google Patents

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Description

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DESCRIPCIÓN
Conjunto reactor y refrigerador para reacciones exotérmicas
Antecedentes de la Invención
Campo de la Invención
La presente invención se refiere a un conjunto reactor y refrigerador, el cual es útil para conducir reacciones exotérmicas, tales como, la reacción del oxígeno molecular y etileno para formar el óxido de etileno.
Descripción de la Técnica Anterior
La oxidación del etileno para formar óxido de etileno se realiza convencionalmente en un reactor de carcasa y tubo.Se coloca un catalizador sólido apropiado compuesto de plata en unos tubos alargados y los gases de reacción circulan en las mismas condiciones de reacción hasta entrar en contacto con el catalizador. Se proporciona un fluidocirculatorio en el lado de la carcasa para eliminar el calor generado por la reacción exotérmica.
Es muy importante que las mezclas de los gases de reacción se enfríen rápidamente después de completar la reacción deseada, a fin de minimizar la posibilidad de una oxidación completa así como unas reacciones laterales no deseadas, tales como, la formación de formaldehido y/o acetaldehído; la formación de dichos productos ocasiona unos problemas de purificación debido a que son muy difíciles de separar del producto de óxido de etileno.
La técnica anterior ha reconocido este problema y, entre las soluciones propuestas, se encuentra el uso de la última sección de los tubos del reactor para llevar a cabo la refrigeración de los gases del reactor. La patente U.S. nº 4.061.659, ha sugerido que se proporcione una zona de refrigeración adyacente a la zona de reacción, estando la zona de refrigeración rellena de unas partículas refractarias inertes que tienen un área de superficie de 0,1 m2/g, o menos.
La patente Británica nº 1.440.091, proporciona un reactor tubular el cual está dividido en tres zonas distintas. Los gases de reacción pasan a través de los tubos los cuales en una primera sección están rellenos de unos gases inertes para proporcionar una zona de precalentamiento, en una segunda sección los tubos están rellenos de un catalizador para proporcionar una zona de reacción y estos mismos tubos, en una tercera sección están rellenos o no, de un gas inerte para proporcionar una zona de refrigeración.
La patente de los EE.UU. nº 4.921.681, proporciona un reactor tubular que forma una zona de precalentamiento, de reacción y de refrigeración.
Más recientemente, la patente de los EE.UU. nº 5.292.904 describe igualmente un reactor tubular con los tubos divididos en una zona de precalentamiento, una zona de reacción y una zona final de refrigeración, rellena.
El documento FR nº 1.349.843, se refiere a un aparato para la conducción de reacciones y, por lo tanto, pararefrigerar los productos de las reacciones, dicho aparato incluye un reactor y un termocambiador adosado al mismo. El documento FR nº 1.349.843, revela un reactor y un termocambiador, separados, los cuales están conectados, de manera que puedan soltarse, a través de un anillo 21 del termocambiador, el cual está conectado por medio de un anillo 22 (argolla) situado sobre la tapa 12 del reactor. Esta conexión no constituye unaestructura integral.
Adicionalmente, el termocambiador del documento FR nº 1.349.843, está adosado a un punto medio del reactor. El extremo superior del termocambiador no está adosado al extremo inferior del reactor.
El documento FR nº 1.349.843 requiere además una partición anular 19, la cual separa físicamente los tubos del reactor de los tubos del termocambiador, conformando una partición interna; no está fijada integralmente alrededor de una abertura del reactor.
El documento US nº 4.778.882 se refiere a un aparato y reacción de deshidratación química. Este aparato incluye unsistema de componentes interconectados para la retirada de agua de un sistema de reacción. No obstante, el documento U.S. nº 4.778.882 no se refiere, de ninguna manera, a la oxidación de etileno en óxido de etileno, tampoco es análoga a la función del mismo.
El documento US 3.147.084 divulga un reactor-refrigerador tubular integral que comprende:
(a)
un vaso alargado verticalmente que tiene cierres de extremo superior e inferior y contiene al menos un revestimiento del tubo superior e inferior y una partición intermedia que se extiende transversalmente a dicho vaso y que define las cámaras primera y segunda separadas y muy adyacentes situadas respectivamente en los lados opuestos de la partición,
(b)
una pluralidad de tubos de transferencia vertical de calor que tienen un tamaño y grosor de pared uniformes, estando dicho tubo fijado en una relación sellada al menos a dichos revestimientos superior e inferior del tubo además de extenderse considerablemente de manera constante entre dichos revestimientos del tubo y a través de dicha partición, proveyendo dichos tubos continuos pasos de flujo que conectan entre si los espacios finales entre dichos cierres de extremo y los revestimientos de tubo respectivamente adyacentes,
(c)
medios de circulación de fluidos térmicos que tienen diferentes temperaturas a través de dichas cámaras, siendo al menos el fluido que circuló a través de una cámara un refrigerante,
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(d)
catalizador dentro de al menos la porción de cada dicho tubo, que está dentro de otra de dichas cámaras,
(e)
medios para admitir una corriente de reacción adyacente al espacio final de dicha otra cámara y medios para descargar la corriente de reacción desde el espacio final adyacente a dicha cámara,
(f)
gránulos sólidos para promover la transferencia de calor entre el interior de dichos tubos y las paredes,situados al menos dentro de las porciones de los tubos rodeadas por dicha cámara, y
(g)
una capa de material térmico aislado en dicha partición.
Sumario de la Invención
De acuerdo con la presente invención está provisto un conjunto reactor y refrigerador perfeccionado, que es menos caro de fabricar y de operar y el cual proporciona un enfriamiento rápido de los gases de reacción. Está provisto un reactor tubular de tipo convencional conjuntamente con un termocambiador, el cual es integral con el cabezal de descarga del reactor tubular y está adaptado para refrigerar los gases de reacción.
La invención se refiere también al uso de un reactor según la reivindicación 1.
Breve Descripción de los Dibujos
El dibujo adjunto constituye una representación esquemática del conjunto reactor y refrigerador de la invención.
Descripción Detallada
Haciendo referencia al dibujo, el reactor 1 es un reactor de carcasa y tubo del tipo que se emplea convencionalmente para la producción de óxido de etileno. Una multiplicidad de tubos 2 alargados están provistos en el reactor, estando los extremos de admisión (entrada) fijados al revestimiento 3 de los tubos y los extremos de descarga (salida) al revestimiento 4 de los tubos, estando el cabezal 5 de admisión del reactor provisto igual que elcabezal 6 de salida del reactor.
El termocambiador 7 de carcasa y tubo está fijado de manera integral con el cabezal 6 de salida del reactor, una abertura está provista en el cabezal 6 de salida para intercomunicarse con el termocambiador 7, estando el termocambiador 7 convenientemente soldado al cabezal 6 de salida alrededor de la abertura, conformando así una estructura integral con el reactor. El termocambiador 7 está provisto de unos tubos 8, los cuales están fijados a los revestimientos 9 y 10 de los tubos, según se ha descrito. Está provisto también un cabezal 11 de salida del termocambiador.
En la práctica, los gases de reacción, por ejemplo, etileno, oxígeno y los gases de lastre se introducen dentro del reactor 1 a través de la línea 12 y pasan en las condiciones de reacción a través de los tubos 2 del reactor, los cuales están rellenos de un catalizador de plata apropiado. El calor de la reacción se elimina por medio de un fluidocirculante de transferencia de calor, tal como el agua, el cual se introduce a través de la línea 13 por el lado de la carcasa del reactor 1 y sale a través de la línea 14.
Los gases de reacción pasan a través de los tubos 2 en donde se realiza la producción de óxido de etileno y una vezque hayan salido de los tubos 2, los gases pasan al cabezal 6 de salida y después a los tubos 8 del termocambiador 7 y son refrigerados inmediatamente para evitar una oxidación e isomerización posteriores. Se introduce un fluido derefrigeración por el lado de la carcasa del enfriador 7, a través de la línea 15 y se retira a través de la línea 16. El agua es un fluido de refrigeración apropiado y preferente. Los gases de reacción enfriados salen del enfriador 7 a través de la línea 17 y son tratados de una manera convencional para la recuperación de productos y el reciclaje de varios componentes.
Una de las ventajas del conjunto reactor y refrigerador de la invención es que el termocambiador 7 puede estar diseñado expresamente de tal manera que tenga una máxima efectividad para refrigerar los gases de reacción sin las restricciones impuestas por las propuestas anteriores en donde se usan los tubos del reactor para la función de refrigeración. Las medidas del caudal, las temperaturas y similares, se regulan separadamente para el termocambiador 7, independientemente de la eliminación del calor del reactor 1.
Los tubos 8 del termocambiador pueden estar rellenos de un material sólido inerte, no obstante, no están rellenos, preferentemente, de unos materiales sólidos.
La fijación del termocambiador directamente al cabezal del reactor permite un diseño eficaz del refrigerador y una excelente integridad estructural, asegurando una refrigeración inmediata de los gases de reacción debido a la proximidad del termocambiador al reactor.
La refrigeración en los tubos 8 es independiente de las condiciones de funcionamiento del reactor 1, ya que el fluido de transferencia de calor en el termocambiador 7 no está limitado a las mismas condiciones del reactor 1, como sería el caso, cuando esté provista una zona de refrigeración como una extensión de los tubos 2 del reactor 1. Por lo tanto, se pueden mantener las condiciones óptimas en el termocambiador 7 a través de todo el ciclo de vida del catalizador a medida que cambien las condiciones en el reactor 1.
Además, construyendo el termocambiador 7 como una parte integral del reactor 1, se minimiza entonces el tiempo de residencia necesario para salir del cabezal 6 del reactor, limitando así el tiempo para la formación del subproducto en contraste con la práctica convencional en la que se proporciona un conducto para conducir los gases de reacción hasta un termocambiador externo separado.
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Generalmente, el conjunto reactor y refrigerador termocambiador perfeccionado de la invención, es útil para las reacciones exotérmicas, tales como las oxidaciones, las cuales se realizan en los reactores tubulares en los que los reactivos están en contacto con el catalizador contenido en los tubos del reactor, en un reactor de carcasa y tubo. Laoxidación de etileno en óxido de etileno es un ejemplo importante.
Los reactores que comprenden una porción de un conjunto de esta invención son del tipo empleado generalmente en la tecnología de la reacción exotérmica, tal como la producción de óxido de etileno. Convencionalmente, dichos reactores comprenden un cabezal de admisión superior para la admisión de los gases de reacción y un cabezal de salida para la salida del producto de la reacción. Están provistos unos revestimientos de los tubos para soportar la multiplicidad de tubos rellenos con el catalizador apropiado, a través de los cuales los gases reactantes pasan, y en los cuales se lleva a cabo la reacción deseada. En el caso de la producción de óxido de etileno, los reactores que tienen un diámetro tan grande como 4,5 m hasta 6,1 m son convencionales con miles de tubos reactantes, ilustrativamente unos veinte mil o más, que están soportados por los revestimientos de los tubos reactantes. Las longitudes de los tubos pueden oscilar entre una cota de 12,2 m, siendo ilustrativa una cota comprendida entre 6,1 hasta 12,2 m, siendo ilustrativo también el diámetro exterior de los tubos desde 2,54 hasta 5,08 cm. El medio de transferencia de calor está provisto para eliminar la reacción exotérmica caldeada. Se pueden emplear varios fluidos incluyendo el agua, el dowtherm y similares.
Es esencial para el conjunto de la invención la provisión de un termocambiador integral con el cabezal de salida delreactor tubular con una abertura conformada en la salida 6, alrededor de la cual el termocambiador está fijado mediante soldadura. En el dibujo está diseñado un termocambiador conectado integralmente, como el termocambiador 7. Generalmente, el diámetro del termocambiador puede oscilar entre una cota desde aproximadamente 1,2 m hasta 2,4 m y contiene unos tubos que están soportados por unos revestimientos de los tubos, superiores e inferiores, el número de tubos oscila entre una cota comprendida desde 800 hasta aproximadamente 3000 y el diámetro exterior desde aproximadamente 2,54 cm hasta alrededor de 4,45 cm. Está provisto un fluido de intercambio térmico para la refrigeración de los tubos del termocambiador, a fin de reducir rápidamente la temperatura de la mezcla de reacción hasta un punto por debajo del cual se produciría la oxidación y/o la producción de varios subproductos. Preferiblemente, el fluido de intercambio térmico es agua.
Los tubos del reactor están rellenos de unos catalizadores con unos soportes de plata, convencionales. Se describen unos catalizadores apropiados y unas condiciones para su uso, por ejemplo, en las patentes de los EE.UE. nos. 5.504.052, 5.646.087, 5.691.269, 5.854.167 y similares.
La parte del reactor del conjunto está compuesta de unos materiales los cuales son muy conocidos en esta técnicaparticular. Preferiblemente, la parte del termocambiador está fabricada a partir de acero al carbono o de acero doble y los tubos contenidos dentro del mismo están preferiblemente abiertos y sin rellenar, aunque si se desea se puede emplear un relleno de un material inerte tal como la alúmina o similar.
Los reactores tubulares para su uso, por ejemplo, en la producción de óxido de etileno y que son muy conocidos en la técnica, dichos reactores, pueden comprender la parte del reactor del conjunto presente.
En la figura adjunta se describe un ejemplo específico de un conjunto de la presente invención, el cual está adaptado para la oxidación de etileno para formar óxido de etileno. El material de construcción para el reactor 1 y elrefrigerador 7 es el acero al carbono. El reactor tiene un diámetro de 5,03 m y contiene unos tubos soportados por los revestimientos 3 y 4 de los tubos, teniendo los tubos del reactor 8809 una longitud de aproximadamente 8,23 m ycada tubo tiene un diámetro exterior de 3,81 cm.
Un termocambiador 7 está soldado al cabezal 6 de salida, inferior del reactor 1. El termocambiador tiene un diámetro de aproximadamente 1,83 m y una longitud de aproximadamente 3,05 m y está soldado a una abertura con un diámetro de 1,74 conformada en el cabezal 6. Soportados en el termocambiador 7 por medio de los revestimientos 9 y 10 de los tubos, están los tubos 1468, los cuales están abiertos y no están rellenos de un material sólido. Los tubos tienen un diámetro exterior de 3,18 cm.
El fluido de intercambio térmico, de refrigeración, introducido a través de la línea 15 y retirado a través de la línea 16, es agua.
En términos generales, los gases de reacción los cuales salen del reactor 1 a través del cabezal 6 tienen una temperatura que oscila entre 215ºC hasta 282ºC. De acuerdo con el uso del conjunto de la presente invención, estos gases se enfrían casi instantáneamente hasta alcanzar una temperatura situada por debajo de la temperatura, en la cual se lleva a cabo una reacción adicional en el termocambiador 7, es decir, a 215ºC, o inferior. Los gases de reacción penetran en el termocambiador 7, esencialmente, a la misma temperatura de reacción de salida del reactor 1 y salen del termocambiador 7 por medio del cabezal 11 de salida a través de la línea 17. De acuerdo con la práctica de la invención, la mezcla de gases de reacción que sale a través de la línea 17 está tratada de acuerdo con unos procedimientos conocidos para la separación y recuperación del producto y el reciclado de los componentes dela mezcla, tales como, etileno, oxígeno y el gas de lastre, sin reaccionar.
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Claims (9)

  1. E02707569
    20-11-2014
    REIVINDICACIONES
    1.-Un conjunto reactor (1) y termocambiador (7) refrigerador el cual está comprendido de un reactor tubular que tiene un cabezal (5) de admisión, superior y un cabezal (6) de salida, inferior, unos tubos (2) de reacción que están rellenos de un catalizador comprendido dentro de dicho reactor y soportado por un revestimiento (3) de
    5 tubo, extremo, de admisión y por un revestimiento (4) de tubo, extremo, de salida; de un termocambiador tubular que tiene un extremo superior y un extremo inferior y que comprende unos revestimientos de tubo, extremos, superiores e inferiores que soportan unos tubos comprendidos dentro de dicho termocambiador, estando el extremo superior de dicho termocambiador fijado integralmente alrededor de una abertura del cabezal de salida, inferior, del reactor, conformando así una estructura integral con el reactor, estando dicha abertura del cabezal
    10 de salida, inferior, del reactor, para permitir el paso de los gases de reacción desde el reactor hasta dicho termocambiador (7) y a través de los tubos situados en dicho termocambiador (7), de manera que se enfríen dichos gases de reacción a través de un intercambio térmico indirecto con un fluido de intercambio térmico introducido dentro de dicho termocambiador (7).
  2. 2.-El conjunto de la reivindicación 1, en el que está provisto un medio para refrigerar los tubos tanto en el reactor 15 como en el termocambiador, con agua.
  3. 3.-El conjunto de la reivindicación 1, en el que el reactor está relleno de un catalizador con un soporte de plata.
  4. 4.-El conjunto de la reivindicación 1, en el que el termocambiador comprende una línea de introducción de fluido.
  5. 5.-El conjunto de la reivindicación 1, en el que el termocambiador comprende una línea de retirada de fluido.
  6. 6.-El conjunto de la reivindicación 1, que comprende, al menos, veinte mil tubos (2) de reacción, en el que los tubos 20 de reacción pueden alcanzar una longitud hasta 12,2 m y tienen un diámetro exterior de 2,54 cm hasta 5,08 cm.
  7. 7.-El conjunto de la reivindicación 1, en el que el termocambiador está soldado alrededor de la abertura del cabezal de salida, inferior, del reactor.
  8. 8.-El conjunto de la reivindicación 1, en el que el termocambiador tiene un diámetro que oscila entre aproximadamente 1,2 m hasta 2,4 m y contiene unos tubos cuyo número oscila entre 800 hasta 25 aproximadamente 3000 y un diámetro exterior desde aproximadamente 2,54 cm hasta aproximadamente 4,45
    cm.
  9. 9.-Uso de un conjunto reactor (1) y termocambiador (7) refrigerador como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1-8 para la reacción de oxígeno molecular y etileno para formar óxido de etileno.
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ES02707569.6T 2001-02-08 2002-01-24 Conjunto reactor y refrigerador para reacciones exotérmicas Expired - Lifetime ES2294111T5 (es)

Applications Claiming Priority (3)

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