ES2420108T3 - Reactor que tiene transmisión de calor mejorada - Google Patents

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David A. Becker
Sudipta Chattopadhyay
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Abstract

Un reactor, que comprende:a)un tubo externo (7) y un tubo interior (10), b) un monilito (5) que incluye una pluralidad de hojas metálicas (1), teniendo el monolito (5) una sección transversal anular y estando situado entre el tubo interior (10) y el tubo exterior (7); caracterizado por que el reactor comprende además medios para empujar radialmetne hasta fuera las hojas (1) de manera que algunas de dichas hojas (1) estén en contacto con el tubo exterior (7).

Description

Reactor que tiene transmisi6n de calor mejorada
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Esta invenci6n se refiere al campo tecnico de las reacciones catalfticas superficiales y/o del intercambio de calor. La presente invenci6n proporciona un reactor, como se define en el preambulo de la reivindicaci6n 1, que ajusta dentro de un tubo exterior cilfndrico y que transfiere eficazmente calor desde el exterior del tubo exterior hasta el reactor, o desde el reactor hasta el tubo exterior. Un reactor de este tipo se conoce, por ejemplo, a partir del documento US 2003/044331.
Uno de los objetivos de los reactores descritos en la tecnica anterior es evitar los problemas asociados con la utilizaci6n de materiales ceramicos en la fabricaci6n y el funcionamiento de reactores catalfticos. Los catalizadores ceramicos de lecho compacto tienen la desventaja de que poseen una conductividad termica baja, haciendo diffcil transferir calor desde la periferia del reactor hacia dentro, o viceversa. Ademas, el desajuste termico entre las partes metalicas y ceramicas de los reactores de la tecnica anterior conduce finalmente a la pulverizaci6n del material ceramico, limitando asf la vida util del reactor. Como los dispositivos descritos en las solicitudes anteriormente citadas, la presente invenci6n comprende asimismo una estructura, toda de metal, que evita intrfnsecamente estos problemas.
Un reactor que tiene hojas radiales, como se describe en la solicitud con numero de serie 11/132.691, ha demostrado buena transmisi6n de calor y, por lo tanto, buen comportamiento global, no solamente cuando se simula mediante un modelo informatico, sino tambien cuando se evalua como un prototipo en una instalaci6n de pruebas de transmisi6n de calor. No obstante, el prototipo ha resultado ser muy diffcil de construir, y no se considera que sea una soluci6n 6ptima, desde el punto de vista de la facilidad de fabricaci6n.
Los reactores mostrados en las solicitudes anteriormente citadas, y otros reactores de la tecnica anterior, ocupan sustancialmente todo el espacio dentro de un tubo exterior cilfndrico. Un problema intrfnseco con reactores de esta clase es que no funcionan particularmente bien cerca del centro del reactor. Se ha encontrado que la mayorfa de las reacciones catalfticas ocurren cerca de las partes exteriores del reactor, es decir, cerca del tubo exterior. Este problema reduce el rendimiento del reactor y hace muy diffcil, o imposible, conseguir el nivel deseado de conversi6n.
La presente invenci6n proporciona una estructura de reactor que resuelve el problema anterior. El reactor de la presente invenci6n es sustancialmente mas eficiente que los reactores de la tecnica anterior, y es asimismo relativamente facil de fabricar.
Otro problema con el que se tropieza en los reactores instalados en tubos cilfndricos es el de la fluencia metalica. Los reactores descritos en las solicitudes anteriormente citadas, asf como el reactor de la presente invenci6n, estan destinados a estar metidos en un gran tubo exterior metalico y a que funcionen a altas temperaturas (en el intervalo de 850 a 900oC) y a altas presiones (en el intervalo de 20 a 30 bares). La presi6n crea un gran esfuerzo tangencial, que el material del tubo tiene dificultad para resistir a una temperatura elevada. Durante un perfodo de aros, la fluencia en el tubo exterior metalico hace que el diametro del tubo crezca. Incluso unos pocos milfmetros de crecimiento en el diametro del tubo crean un espacio no deseable entre el reactor y el tubo circundante. Un reactor tfpico que ha sido metido en un tubo nuevo, de manera que el reactor esta inicialmente en contacto satisfactorio con el tubo, perdera el contacto con dicho tubo cuando este presente fluencia a lo largo de los aros. Tal fluencia causara una reducci6n significativa del comportamiento.
La presente invenci6n proporciona una estructura que evita el problema anterior. La invenci6n incluye un dispositivo que compensa continuamente la fluencia, asegurando el contacto apropiado entre el reactor y el tubo exterior circundante.
El reactor de la presente invenci6n puede utilizarse, por ejemplo, en el campo del reformado catalftico de combustible, para obtener hidr6geno, que se utiliza a continuaci6n para generar electricidad a traves de una pila de combustible, o en otros procesos industriales tales como el refino de aceite y gas, la producci6n de amonfaco y fertilizante, la hidrogenaci6n de aceites y productos qufmicos, y la extracci6n de mineral de hierro. El reactor podrfa utilizarse como un combustor catalftico o no catalftico, o como un sencillo intercambiador de calor.
SUMARIO DE LA INVENCION
El reactor de la presente invenci6n esta definido en la reivindicaci6n 1. El reactor esta contenido entre un tubo generalmente cilfndrico, en el exterior, y un tubo ondulado expandible en el interior. La secci6n transversal anular asegura intrfnsecamente que las reacciones o el intercambio de calor ocurren solamente en una zona cerca de la superficie interior del tubo exterior, y no cerca de su eje central. Se ha descubierto que efectuar las reacciones o el intercambio de calor en la zona anular es mas eficiente que intentar efectuar las reacciones por todo el volumen de un reactor cilfndrico.
Las hojas estan formadas preferentemente por una lamina metalica, estando plegada la lamina hacia delante y hacia atras sobre sf misma para definir las hojas que proporcionan superficies sobre las que pueden ocurrir las reacciones catalfticas o el intercambio de calor.
Segun la invenci6n, el reactor incluye medios para empujar radialmente hacia fuera el monolito, de manera que al menos algunas de las hojas de dicho monolito, y preferentemente la mayorfa de ellas, se mantienen en contacto con el tubo exterior. Dicha estructura compensa la fluencia metalica que hace que el tubo exterior se expanda con el paso del tiempo y cree un espacio no deseable entre el monolito y el tubo.
Una estructura preferente para los medios de empuje es una pluralidad de arandelas c6nicas, conectadas al tubo ondulado interior, cerca de las partes superior e inferior de cada monolito, y que se aplican a una acanaladura, o estructura equivalente, en una columna vertical central del reactor. Cuando el tubo exterior esta orientado verticalmente, el peso de los monolitos, y la cafda de presi6n causada por el flujo descendente a traves del reactor, hacen que las arandelas lleguen a estar ligeramente distorsionadas, de manera que dichas arandelas ejercen mas fuerza radial hacia fuera. Asf, en la medida que podrfa formarse un espacio entre el tubo exterior y el monolito, las arandelas empujan de modo automatico radialmente hacia fuera las hojas del monolito, de manera que no se forma realmente ningun espacio. En otras palabras, la estructura de la presente invenci6n se autocorrige eficazmente. La estructura ondulada del tubo interior asegura que dicho tubo interior puede expandirse cuando las arandelas lo empujan.
La funci6n de las arandelas c6nicas podrfa ser realizada, en cambio, por una aleta metalica ondulada. Dicha aleta es integral con el tubo ondulado interior y esta plegada hacia dentro con relaci6n al cuerpo principal de dicho tubo. La aleta ondulada se presenta por sf misma como una forma c6nica ondulada que se expande radialmente bajo fuerzas gravitatorias a temperatura y presi6n elevadas.
La presente invenci6n tiene, por lo tanto, el objeto principal de proporcionar un reactor catalftico o intercambiador de calor metalicos.
La invenci6n tiene el objeto adicional de mejorar el rendimiento de un reactor catalftico o intercambiador de calor, proporcionando un monolito de reactor que tiene una secci6n transversal anular.
La invenci6n tiene el objeto adicional de proporcionar un reactor catalftico o intercambiador de calor que es relativamente facil de fabricar.
La invenci6n tiene el objeto adicional de impedir la formaci6n de un espacio entre un reactor o intercambiador de calor y el tubo exterior que lo encierra.
La invenci6n tiene el objeto adicional de prolongar la vida util de un reactor catalftico o intercambiador de calor.
La invenci6n tiene el objeto adicional de proporcionar un reactor eficiente, todo de metal, que es facil de fabricar.
El lector experto en la tecnica reconocera otros objetos y ventajas de la invenci6n, a partir de una lectura de la breve descripci6n siguiente de los dibujos, la descripci6n detallada de la invenci6n y las reivindicaciones adjuntas.
BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
La figura 1 proporciona una vista, desde un extremo, del monolito anular y de su tubo ondulado interior asociado, que forma un elemento esencial de un reactor fabricado segun la presente invenci6n.
La figura 2 proporciona una vista similar a la de la figura 1, en la que la tira utilizada para formar el reactor esta ondulada y sin ondular en posiciones seleccionadas.
La figura 3 proporciona una vista, en secci6n transversal, segun la lfnea 3-3 de la figura 4, que muestra un reactor de la presente invenci6n tal como esta instalado dentro de un tubo exterior.
La figura 4 proporciona una vista parcial, en secci6n transversal, del reactor de la presente invenci6n, que muestra las arandelas c6nicas que impiden la formaci6n de un espacio entre las hojas del reactor y el tubo exterior.
Las figuras 5 y 6 proporcionan vistas, en perspectiva, de una realizaci6n alternativa, en la que el tubo ondulado interior de la presente invenci6n esta formado integralmente con aletas que realizan la misma funci6n que las arandelas c6nicas.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
El reactor de la presente invenci6n comprende un soporte de catalizador, fabricado preferentemente de lamina metalica, comprendiendo la lamina metalica una pluralidad de hojas o aletas que definen un area superficial relativamente grande para la combusti6n catalftica o el intercambio de calor. En una realizaci6n preferente, las hojas se forman plegando la lamina metalica hacia delante y hacia atras sobre sf misma para definir un monolito. Los
terminos "hojas" y "aletas" se utilizan de modo intercambiable en esta memoria descriptiva. Si se utiliza el monolito para reacciones catalfticas, sus superficies estan revestidas con un catalizador adecuado.
En un aspecto de la invenci6n, el reactor tiene la forma de un anillo. Es decir, el reactor comprende una tira de lamina metalica que ha sido plegada hacia delante y hacia atras sobre sf misma muchas veces, pero en el que la tira plegada define una secci6n transversal generalmente anular, como se ve en la direcci6n del flujo de gas a traves del reactor. El reactor esta insertado en un tubo exterior cilfndrico, estando limitado el otro lado de dicho reactor por un tubo interior ondulado expandible. Asf, el reactor ocupa el espacio que es generalmente adyacente a la superficie interior del tubo exterior, sin ocupar el espacio cerca del eje central de dicho tubo. La ventaja de esta estructura anular es que todas las hojas del reactor estan situadas en una zona que es la mas pr6xima al tubo exterior. Asf, el calor desde el exterior del tubo exterior se transfiere con facilidad sustancialmente a todo el reactor. A diferencia del caso de la tecnica anterior, ya no es necesario asegurar que el calor desde el exterior penetre en todo el volumen limitado por el tubo exterior. El tubo interior impide que el gas que entra en el reactor circule hacia el interior de la zona central de la estructura.
El concepto anterior se ensay6 primero mediante un modelo informatico, en el que las hojas del reactor estaban situadas solamente en un anillo definido por un diametro interior de tres pulgadas y un diametro exterior de cuatro pulgadas. Estas ultimas cantidades se proporcionan a modo de ejemplo y no se debe considerar que limitan el alcance de la invenci6n. En el ejemplo anterior, las hojas ocupaban un area en secci6n transversal que era aproximadamente el 43,75% de la secci6n transversal total del tubo exterior. Se esperaba una pequera mejora del comportamiento, pero la mejora que se obtuvo en realidad fue inesperadamente grande. En particular, con un reactor convencional, era diffcil o imposible conseguir una conversi6n del 98% utilizando condiciones de alimentaci6n representativas en un tubo de 40 pies de longitud. Pero con la estructura anular anteriormente descrita, fue facil conseguir conversiones del 99% o mas, para un intervalo de parametros geometricos.
En la figura 1 se muestra la estructura basica del reactor de la presente invenci6n. Como se muestra en la figura, el monolito anular 1 esta formado por una tira de lamina metalica que ha sido plegada hacia delante y hacia atras sobre sf misma. Los pliegues de la lamina comprenden las hojas o aletas, y comprenden los medios para el intercambio de calor. La lamina plegada esta disponible comercialmente de la firma Robinson Fin Machines, Inc. de Kenton, Ohio. Asf, se puede obtener con sencillez una lamina previamente plegada, y dar a la lamina plegada la forma de un anillo, como se muestra. El monolito esta limitado, en el interior, por un tubo interior ondulado 10 que se puede expandir. Todo el reactor esta encerrado dentro de un tubo exterior (no mostrado en las figuras 1 6 2).
El flujo de gas, en las figuras 1-3, es perpendicular al papel y, por lo tanto, generalmente paralelo a las superficies de las hojas o aletas. Las arandelas c6nicas bloquean el flujo hacia la zona central y aseguran que el gas circula solamente a traves de la zona anular. El tubo interior asegura que el gas que entra en la zona anular no circulara hacia el interior de la zona central sin ocupar.
La lamina de la figura 1 puede ser lisa o arrugada. Una pieza arrugada de lamina, disponible asimismo de la firma Robinson Fin Machines, Inc., tiene ondas formadas en cada capa. Es decir, cada capa de lamina define una hoja o aleta, y cada aleta tiene una altura que varfa por la longitud de la aleta. La figura 1 esta destinada a incluir los casos tanto de una aleta lisa como de una arrugada. La aleta arrugada es probable que ofrezca una ventaja adicional en el comportamiento con relaci6n al de la aleta lisa.
La figura 2 muestra otra realizaci6n, similar a la figura 1, en la que la lamina incluye partes planas (sin ondular) alternando con partes onduladas. Cuando la lamina esta plegada hacia delante y hacia atras sobre sf misma, cada parte plana esta intercalada entre partes onduladas adyacentes, de manera que las partes planas impiden que las partes onduladas se encajen unas con otras. El tubo ondulado interior 10 es el mismo que el de la figura 1. Se ensay6 un reactor prototipo utilizando la disposici6n de la figura 2, y se descubri6 que proporcionaba mejor transmisi6n de calor que la conseguida mediante los reactores de la tecnica anterior, como estan representados por las solicitudes anteriormente citadas.
La invenci6n no se debe considerar que esta limitada a las estructuras especfficas de las hojas o aletas mostradas en las figuras 1 y 2. La invenci6n esta destinada a incluir otras estructuras de aleta, siempre que la secci6n transversal del reactor sea anular.
La figura 3 muestra un reactor, formado con un monolito 5, formado preferentemente por una lamina metalica, similar a la de la figura 1, insertado en un tubo exterior 7, y alrededor del tubo interior 10. Una pieza cilfndrica o columna vertical 9 esta situada en el eje central de la estructura cilfndrica. El reactor define una secci6n transversal anular, y este anillo esta situado adyacente a la superficie interior del tubo 7, como se muestra. El monolito podrfa tener alternativamente la estructura de la figura 2, o cualquier otra estructura que pueda estar dispuesta en una secci6n transversal anular.
Ademas de un aumento en el comportamiento conseguido debido a la estructura anular, el reactor de la presente invenci6n tiene la ventaja adicional de que se expande o se contrae mas facilmente en la direcci6n radial. La zona no utilizada relativamente grande en el centro del reactor proporciona espacio en cuyo interior se alojan los componentes para ayudar a la expansi6n o contracci6n, como se explicara mas adelante.
Como se ha seralado anteriormente, la fluencia en el metal que define el tubo exterior hace que el diametro de dicho tubo crezca con el paso del tiempo. Tal fluencia hace que se forme un espacio entre la lamina del monolito y el tubo exterior, como se ilustra con el espacio 11 en la figura 3. El espacio se muestra en las figuras solamente por claridad de ilustraci6n. En la practica, no es deseable ningun espacio, ya que impide la transmisi6n de calor entre el tubo exterior y el reactor. Cuanto mayor es el espacio, menos deseable es la estructura. En el caso ideal, el monolito tocara siempre la superficie interior del tubo exterior.
En la figura 4 se muestra una soluci6n para el problema que supone el espacio. Dicha figura muestra, en forma parcial, una pluralidad de monolitos 5 apilados dentro del tubo 7. Los monolitos 5 estan conectados a una pieza cilfndrica o columna vertical 9 mediante arandelas c6nicas 13 (de tipo Belleville). Como se muestra en la figura, las arandelas c6nicas se aplican al tubo ondulado interior 10, cerca de las partes superior e inferior de cada reactor, y descansan en acanaladuras 15 formadas en la pieza cilfndrica o columna vertical 9. La pieza cilfndrica soporta el peso del conjunto.
A medida que el tubo exterior 7 crece alejandose de las aletas, debido a la fluencia en el metal, se crea un espacio
11. El peso de los monolitos, el tubo exterior expandible y las arandelas c6nicas, mas la cafda de presi6n procedente del flujo descendente de gas, actuan juntos para deformar las arandelas c6nicas relativamente debiles hasta formar un angulo mas pequero con relaci6n a la horizontal. Cuando se fuerza a que las arandelas esten casi horizontales, las mismas expanden el tubo interior 10, empujando radialmente hacia fuera las hojas del monolito, de manera que se mantienen en contacto con el tubo exterior. Asf, las arandelas comprenden medios para empujar radialmente hacia fuera las hojas, a efectos de mantener contacto entre dichas hojas y el tubo exterior.
De este modo, en la presente invenci6n, no hay virtualmente ninguna posibilidad de que se forme en absoluto un espacio, tal como el espacio 11. En la medida que se forma momentaneamente un espacio, el peso de los monolitos ejerce una fuerza hacia abajo sobre las arandelas, forzandolas a una orientaci6n mas horizontal, y empujando radialmente hacia fuera los monolitos, para que contacten con el tubo exterior. La naturaleza ondulada del tubo interior 10 asegura que dicho tubo interior puede expandirse cuando es empujado de esta manera. La estructura, por lo tanto, se autocorrige intrfnsecamente, en tanto que las arandelas c6nicas sean oblicuas con relaci6n a la horizontal.
La pieza cilfndrica 9 funciona como una columna vertical central que actua para soportar todo el sistema. En la parte inferior extrema del sistema, debe estar dispuesto un elemento de apoyo o estante (no mostrado) adecuado para soportar la columna vertical. Despues de ello, cada columna vertical de una secci6n dada descansa sobre la columna vertical de la secci6n que esta debajo. La figura 4 muestra solamente dos reactores completos que tienen una longitud de manera tfpica de aproximadamente seis pulgadas, pero en la practica, puede haber muchos mas, del orden de diez o mas. Un asa o estructura similar (no mostrada) puede estar colocada en la parte superior de la columna vertical de cada secci6n para permitir agarrarla durante la instalaci6n y la retirada.
La columna vertical en la figura 4 se muestra como una pieza mecanizada. Probablemente es menos caro fabricar la columna vertical a partir de una columna vertical central sin mecanizar, rodeada por cortas secciones de tubo que realizarfan las funciones de las acanaladuras. En este caso, el diametro interior de dicha secci6n de tubo (no mostrado) serfa justo ligeramente mayor que el diametro exterior de la columna vertical.
La arandela c6nica 13 debe estar diserada adecuadamente con un grosor, una forma geometrica y un material apropiados para dar la respuesta correcta al peso de las partes, al tiempo que se sigue manteniendo su integridad. La arandela puede ser una verdadera arandela c6nica estampada (o recalcada) en el sentido convencional, o puede estar fabricada a partir de un material ondulado.
En las figuras 5 y 6 se muestra una disposici6n alternativa. En esta realizaci6n, el tubo ondulado interior 21 y las arandelas c6nicas estan fabricados a partir de una pieza de material ondulado. El metal ondulado se curva "a traves del grano" para formar aletas de arandela designadas mediante los numeros de referencia 20 y 22. Los bordes extremos se pliegan y se juntan, tirando del metal hasta una forma cilfndrica. La pieza se acaba a continuaci6n soldando por puntos los extremos que han sido reunidos. En esta realizaci6n, las aletas 20 y 22 funcionan sustancialmente del mismo modo que las arandelas mostradas en la figura 4. Por lo tanto, las aletas comprenden formas c6nicas onduladas que se expanden radialmente bajo fuerzas gravitatorias a temperatura y presi6n elevadas.
El metal utilizado para fabricar el tubo ondulado interior es preferentemente una lamina, similar a la utilizada para el monolito.
La invenci6n puede modificarse de diversos modos, dentro del alcance de la descripci6n anterior. Por ejemplo, se puede cambiar la configuraci6n de la lamina utilizada para fabricar el reactor. Se puede modificar la disposici6n de las arandelas c6nicas. Se podrfan utilizar otros medios para empujar las hojas del reactor contra el tubo, en vez de las arandelas c6nicas. Se podrfan modificar las dimensiones de los monolitos, asf como el numero de monolitos insertados en el tubo exterior. Estas y otras modificaciones, que seran evidentes para el lector experto en la tecnica, se deberfan considerar dentro del alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un reactor, que comprende:
    a) un tubo exterior (7) y un tubo interior (10),
    b) un monolito (5) que incluye una pluralidad de hojas metalicas (1), teniendo el monolito (5) una secci6n 5 transversal anular y estando situado entre el tubo interior (10) y el tubo exterior (7);
    caracterizado por que el reactor comprende ademas medios para empujar radialmente hacia fuera las hojas (1) de manera que algunas de dichas hojas (1) esten en contacto con el tubo exterior (7).
  2. 2. El reactor segun la reivindicaci6n 1, en el que los medios de empuje comprenden arandelas c6nicas (13) situadas para empujar radialmente hacia fuera el tubo interior (10).
    10 3. El reactor segun cualquiera de las reivindicaciones 1 6 2, en el que el tubo interior (10) esta formado con una aleta plegada (20, 22), y en el que los medios de empuje comprenden dicha aleta (20, 22).
  3. 4. El reactor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende ademas una columna vertical (9) dispuesta a lo largo de un eje longitudinal del tubo exterior (7), y en el que los medios de empuje (13, 20, 22) estan en acoplamiento con dicha columna vertical (9).
    15 5. El reactor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que existe un medio de empuje en contacto con el tubo interior (10), cerca de una parte superior del monolito (5) y en el que existe un medio de empuje en contacto con el tubo interior (10), cerca de una parte inferior del monolito (5).
  4. 6. El reactor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que existe una pluralidad de monolitos (5) dispuestos en el tubo exterior (7).
    20 7. El reactor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tubo interior (10) es un tubo interior
    (10) ondulado expandible y en el que el tubo interior (10) impide que el gas que entra en el reactor circule hacia el interior de una zona central del monolito (5).
  5. 8. El reactor segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el tubo exterior (7) es generalmente cilfndrico.
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