ES2854843T3 - Sistema modulable para la generación de endogas - Google Patents

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Abstract

Generador (100) para producir una mezcla de gases endotérmica por medio de una reacción de combustión incompleta de una mezcla gaseosa de aire y metano u otro hidrocarburo, en defecto estequiométrico de oxígeno y sin agua/vapor, comprendiendo dicho generador (100) - una cámara (1) de calentamiento cilíndrica exterior que suministra calor a un reactor catalítico contenido dentro de dicha cámara (1) exterior, conteniendo dicho reactor un catalizador basado en óxido de metal noble para la oxidación parcial de una mezcla de aire-metano u otro hidrocarburo; - al menos tres tubos (4) de catalizador, paralelos entre sí, dispuestos en forma de un haz de tubos dentro de dicho reactor catalítico, teniendo cada uno de dichos tubos (4) un diámetro nominal igual a o menor de 80 mm, - al menos un intercambiador (7) de calor de gas/aire para el enfriamiento de la mezcla de gases endotérmica producida, estando dicho intercambiador (7) de calor en forma de un conducto y colocado fuera de dicha cámara (1) exterior, comprendiendo dicho intercambiador (7) al menos un tubo (6) de enfriamiento, estando cada tubo (6) de enfriamiento en comunicación de fluido con un tubo (4) de catalizador respectivo, estando dicho generador caracterizado porque dicho reactor catalítico está constituido por una cámara (3) interior que contiene dentro dichos tubos (4) de catalizador, cada tubo (4) de catalizador está en comunicación de fluido con un tubo (5) de suministro respectivo, externo a dicha cámara (1) de calentamiento, para suministrar a dicho tubo (4) de catalizador un flujo (Qi) que es una porción de una velocidad de flujo nominal predeterminada (QN) de dicha mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo, conteniendo cada tubo (4) de catalizador el catalizador únicamente en una sección con respecto a la longitud del tubo de catalizador contenido en la cámara (1) de calentamiento, de modo que la sección vacía restante constituye una cámara de calentamiento de la mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo, estando dicho cada tubo (5) de suministro dotado de una válvula (11) de cierre respectiva, estando dichas válvulas (11) de cierre adaptadas para excluir de manera individual dicho flujo de suministro (Qi) de uno o más de dichos tubos (5) de suministro para obtener un flujo de suministro global menor (Q) con respecto a dicho flujo nominal (QN), siendo dicho flujo global (Q) la suma de los flujos (Qi) en la entrada de cada tubo (5) de suministro en funcionamiento; y caracterizado porque dicha cámara (1) cilíndrica exterior comprende de manera interna una pluralidad de quemadores (2) que calientan dicha cámara (3) interior y colocados de una manera opuesta con respecto a dicha cámara (3) cilíndrica interior y alineados verticalmente de una manera tal como para calentar de manera uniforme toda la superficie exterior de dicha cámara (3) interior que contiene dichos tubos (4) de catalizador.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema modulable para la generación de endogas
La presente invención se refiere a un sistema modulable para la producción de endogas (gas endotérmico) para suministrar a una pluralidad de hornos de tratamiento térmico.
Más particularmente, la presente invención se refiere a un sistema de este tipo que puede producir endogas con una composición volumétrica constante (composición óptima) también a velocidades de flujo de alimentación reducidas en hasta el 90% con respecto a la velocidad de flujo nominal de dicho sistema.
El endogas es una mezcla de gases, también denominada “mezcla endotérmica” o “atmósfera controlada”, que se usa como atmósfera protectora en tratamientos térmicos y/o de superficie de metales (con respecto a la oxidación) y como una mezcla que puede conferir determinadas propiedades mecánicas al metal sometido al tratamiento, por ejemplo en la carburización de superficie de partes de acero destinadas a elementos mecánicos que tienen que combinar resistencia a la fatiga con dureza de superficie y resistencia al desgaste.
Dicho endogas es el resultado de una reacción endotérmica de combustión incompleta entre aire y metano (u otro hidrocarburo), realizada con falta de oxígeno y en ausencia de agua/vapor, para formar sustancias reductoras tales como CO en detrimento del CO2 (reacción también indicada como COPx) y tiene normalmente la siguiente composición volumétrica óptima:
N2 = 35-40% H2 = 40-45% CO = 20-22,5% CO2 = 0,1-1,0%
donde un contenido final de CH4 de aproximadamente el 0,5% en volumen, o inferior, es una indicación de una conversión máxima y de una terminación sustancial de la reacción.
La composición óptima anteriormente mencionada es actualmente el resultado de una reacción realizada usando catalizadores específicos basados en níquel (es decir, óxidos de níquel hexahidratados, sobre un sustrato de alúmina), con razones molares entre aire y gas natural comprendidas entre 2,25/1 y 2,75/1 y a una temperatura comprendida entre 1000 y 1100°C, generalmente de aproximadamente 1050°C.
Dicho endogas se produce en sistemas especiales y apropiados conocidos como “generadores de endogas”, formados por una cámara de calentamiento que suministra calor a un reactor catalítico, colocado en su interior, que está formado por una o dos retortas cilindricas, en forma de un tubo simple o tubo en forma de U, que contiene el catalizador, seguido por un intercambiador de calor, generalmente gas/agua, para enfriar los productos de reacción rápidamente para impedir que la reacción avance adicionalmente, formando CO2 en altas cantidades en detrimento de CO. El endogas sale de dicho intercambiador a una temperatura generalmente por debajo de 150°C, preferiblemente de aproximadamente 50-100°C.
Lo importante para el fin de dimensionar el generador anteriormente mencionado es la velocidad espacial del catalizador usado, que define la cantidad de gas que pasa por unidad de tiempo (Nmc/h) con respecto al volumen de catalizador (litros) y es inversamente proporcional al tiempo que permanece el gas en el catalizador: este parámetro permite el cálculo del volumen de catalizador necesario para tener la máxima eficiencia de conversión a la temperatura de funcionamiento del catalizador del que depende la obtención de la composición óptima anteriormente mencionada.
La actividad de los catalizadores basados en níquel no es muy alta, particularmente la selectividad hacia H2 y CO es de menos del 100% y la velocidad espacial (definida como la cantidad de endogas producido con composición óptima en la unidad de tiempo por la unidad de volumen de catalizador) es de menos de 4000 h-1, es decir menos de 4 Nmc/h de endogas producidos por litro de catalizador. Dicho catalizador está presente en forma de esferas y/o cubos con un diámetro indicativo de 18 mm y un lado de 18-25 mm, normalmente con un diámetro o lado que no supera 40 mm con el fin de contener las pérdidas de carga y tener una superficie activa suficiente.
Una vez que se ha definido el volumen de catalizador necesario para producir una determinada cantidad por hora de endogas, se dimensiona en consecuencia el diámetro del reactor (retorta): generalmente este diámetro en generadores de endogas actuales, que adoptan una o dos retortas de reacción, es mayor de 100 mm con el fin de limitar el desarrollo de altura de la cámara de combustión y proporcionar un lecho de catalizador suficiente (volumen de catalizador).
También están comercialmente disponibles generadores de endogas con tres retortas pero en cualquier caso el diámetro de cada tubo es siempre mayor de 100 mm con el fin de contener las dimensiones de altura de la cámara de calentamiento (altura máxima generalmente del orden de dos metros).
La desventaja de este tipo de generador de endogas se encuentra en la escasa modulabilidad de la velocidad de flujo cuando tiene que reducirse la producción en gran cantidad con respecto a la nominal del dimensionamiento del sistema: de hecho, cuando se busca reducir la capacidad nominal (velocidad de flujo nominal producida) reduciendo la velocidad de flujo de suministro, existe el riesgo de tener un flujo que no entra completamente en contacto con el catalizador dado que la masa de gas pierde intensidad de penetración en el catalizador (velocidad inferior en la retorta): de esta manera, no se aprovecha totalmente el poder catalítico de la retorta de modo que no se obtiene la composición óptima de endogas.
Además, dado que la reacción es endotérmica, una reducción excesiva de la velocidad de flujo en la retorta expone posiblemente el catalizador al riesgo de temperaturas excesivas localizadas, con el consiguiente daño temprano. En algunos sistemas conocidos con una retorta, la velocidad de flujo se reduce sin alterar la composición óptima del endogas proporcionando dos líneas de derivación, una en el suministro de la mezcla de aire/metano y la otra en el endogas producido. Sin embargo, este tipo de sistema proporciona la reducción de la velocidad de flujo a como máximo el 30% porque reducciones adicionales modifican excesivamente la velocidad y la composición, dando como resultado un sistema con baja modulabilidad en cuanto a la productividad.
Una reducción adicional de la velocidad de flujo, por ejemplo de aproximadamente el 50%, se logra mediante algunos sistemas conocidos, con una o dos retortas, usando una bomba con velocidad variable o haciendo que funcione una única retorta en vez de dos: sin embargo, actualmente no se prevén reducciones por debajo del 50% de la velocidad de flujo nominal sin influir en la composición.
Dado que la composición del endogas influye en el rendimiento de los tratamientos metalúrgicos, es importante mantener la composición anteriormente mencionada óptima a lo largo de toda la producción del mismo, también para velocidades de flujo muy inferiores con respecto a la nominal del sistema.
Con el fin de intentar superar este problema, se ha proporcionado en la técnica un sistema modular formado por varios generadores montados en paralelo, cada uno dotado de su propia retorta y bomba de suministro, en el que un sistema de control automático centralizado gestiona la activación, desactivación o parcialización de las bombas de tal manera que, cuando se requiere una alta velocidad de flujo, se activan varios generadores, mientras que cuando se requiere una velocidad de flujo inferior, se desactivan varios generadores y/o se reduce la velocidad de la bomba de uno o más generadores con el fin de cubrir el intervalo más amplio posible de velocidades de flujo.
Sin embargo, se encuentra que este sistema modular de generadores es muy costoso así como complejo de gestionar.
Además, en este tipo de generador de la técnica anterior con una o dos retortas, cuando el nivel de ensuciamiento del catalizador (formación de hollín) es alto, tiene que detenerse el sistema con el fin de sustituir la retorta o funcionar a la mitad de la capacidad nominal (en el caso de dos retortas), provocando los problemas de composición expresados anteriormente.
La solicitud de patente GB 2222 096 describe un sistema combinado de reformado con vapor y oxidación parcial que proporciona una pluralidad de tubos en forma de haz de tubos, que contienen un catalizador apropiado, que se alimentan mediante un único flujo en la entrada de dicho haz de tubos que tiene una presión mayor de 50 barG, sin la posibilidad de excluir de manera individual uno o más de los tubos que forman el haz de tubos.
El documento US 5 828 582 A da a conocer un generador de gas endotérmico, que comprende: una cámara de calentamiento que comprende medios de calentamiento; retortas que comprenden un catalizador; orificios de distribución; una única o dos carcasas e intercambiadores de calor de tubos por retorta, comprendiendo los intercambiadores de calor tubos enfriados con agua.
El objetivo de la presente invención es el de superar, al menos en parte, las desventajas de la técnica anterior proporcionando un generador de endogas que pueda modular de una manera mejorada la velocidad de flujo de endogas producida, garantizando al mismo tiempo la composición óptima del endogas a cualquier velocidad de flujo producida, también en el caso en el que es muy inferior con respecto a la velocidad de flujo nominal del generador. Un objetivo adicional es el de proporcionar un generador de este tipo que sea económico, fácil de gestionar y que, en el caso de ensuciamiento del catalizador, pueda producir en cualquier caso endogas con composición óptima. Estos objetivos se logran mediante el generador de endogas según la invención que tiene las características indicadas en la reivindicación 1 independiente adjunta.
Las reivindicaciones dependientes dan a conocer realizaciones ventajosas de la invención.
Un objetivo de la presente invención se refiere a un nuevo generador de endogas para la producción de aproximadamente 100 Nmc/h que puede dimensionarse para una producción comprendida entre 50-200 Nmc/h, para alimentar una pluralidad de hornos de tratamiento térmico, comprendiendo dicho generador
- una cámara de calentamiento cilíndrica exterior que suministra calor a un reactor catalítico contenido dentro de dicha cámara exterior, conteniendo dicho reactor un catalizador basado en óxido de metal noble para la oxidación parcial de una mezcla de aire-metano u otro hidrocarburo;
- al menos tres tubos de catalizador, paralelos entre sí, dispuestos en forma de un haz de tubos dentro de dicho reactor catalítico, teniendo cada uno de dichos tubos un diámetro nominal igual a o menor de 80 mm,
- al menos un intercambiador de calor de gas/aire para el enfriamiento de la mezcla de gases endotérmica producida, estando dicho intercambiador de calor en forma de un conducto y colocado fuera de dicha cámara exterior, comprendiendo dicho intercambiador al menos un tubo de enfriamiento, estando cada tubo de enfriamiento en comunicación de fluido con un tubo de catalizador respectivo,
estando dicho generador caracterizado porque
dicho reactor catalítico está constituido por una cámara interior que contiene dentro dichos tubos de catalizador, cada tubo de catalizador está en comunicación de fluido con un tubo de suministro respectivo, externo a dicha cámara de calentamiento, para suministrar a dicho tubo de catalizador un flujo (Qi) que es una porción de una velocidad de flujo nominal predeterminada (Qn) de dicha mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo, conteniendo cada tubo de catalizador el catalizador únicamente en una sección con respecto a la longitud del tubo de catalizador contenido en la cámara de calentamiento, de modo que la sección vacía restante constituye una cámara de calentamiento de la mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo,
estando dicho cada tubo de suministro dotado de una válvula de cierre respectiva,
estando dichas válvulas de cierre adaptadas para excluir de manera individual dicho flujo de suministro (Qi) de uno o más de dichos tubos de suministro para obtener un flujo de suministro global menor (Q) con respecto a dicho flujo nominal (Qn), siendo dicho flujo global (Q) la suma de los flujos (Qi) en la entrada de cada tubo de suministro en funcionamiento;
y caracterizado porque dicha cámara cilíndrica exterior comprende de manera interna una pluralidad de quemadores que calientan dicha cámara interior y colocados de una manera opuesta con respecto a dicha cámara cilíndrica interior y alineados verticalmente de una manera tal como para calentar de manera uniforme toda la superficie exterior de dicha cámara interior que contiene dichos tubos de catalizador.
En este caso, endogas se refiere a una mezcla de gases, también denominada “mezcla endotérmica” o “atmósfera controlada” que es el resultado de una reacción endotérmica de combustión incompleta entre aire y metano (u otro hidrocarburo), con defecto estequiométrico de oxígeno y en ausencia de agua/vapor, para formar únicamente sustancias reductoras tales como CO en vez de CO2 y tiene normalmente la siguiente composición volumétrica óptima: N2 = 35-40%, H2 = 40-45%, CO = 20-22,5%, CO2 = 0,1 -1,0%, con CH4 = 0,5% aproximadamente.
Dicha mezcla que no contiene agua/vapor entre los componentes iniciales y finales no debe identificarse con mezclas similares que contienen agua/vapor y que se derivan de procedimientos de reformado con vapor.
La característica distintiva del presente sistema con respecto a los conocidos que producen endogas se encuentra por tanto en el hecho de que cada tubo de catalizador, que tiene un tubo de suministro respectivo que puede seleccionarse y preferiblemente un tubo de enfriamiento con aletas respectivo, representa un generador de endogas autónomo que es independiente del funcionamiento de los otros tubos de catalizador montados en paralelo y contenidos en el presente sistema: gracias a las válvulas que pueden seleccionarse es posible proporcionar suministro o no a cada tubo de catalizador al tiempo que se mantiene en la posición de funcionamiento, es decir sin retirarlo del sistema, ajustando por tanto el número de los tubos de catalizador en funcionamiento en función de la velocidad de flujo de endogas requerida en la salida. De esta manera, también cuando la velocidad de flujo global es inferior a la nominal del generador, es posible tener en cada tubo de catalizador la misma velocidad óptima del flujo que aquella a la velocidad de flujo nominal Qn.
En resumen, el generador está compuesto por una pluralidad de tubos de catalizador, dispuestos en forma de haz de tubos e insertados en la cámara de calentamiento exterior en el que cada tubo de catalizador constituye un elemento independiente de los otros tubos de catalizador. De hecho, cada tubo de catalizador está combinado con un módulo de intercambiador de calor de gas/aire correspondiente, compuesto por uno o más tubos de enfriamiento: por tanto, usando la misma cámara de calentamiento, el mismo ventilador y el mismo conducto de suministro de aire de enfriamiento, se forma una serie de submódulos de generación de endogas, cada uno compuesto por un tubo de catalizador y tubo(s) de enfriamiento. Cada módulo, si está conectado mediante la(s) válvula(s) de cierre, contribuye a lograr el Q global.
Los catalizadores usados en este caso son los basados en óxidos de metales nobles (platino, oro, plata, rodio, iridio, paladio, osmio, rutenio) proporcionados para los procedimientos de oxidación catalítica parcial que tienen una alta eficiencia catalítica (conversión de aproximadamente el 100%) y están dotados de velocidades espaciales generalmente mayores de 4.000 h-1, preferiblemente iguales a o mayores de 10.000 h-1, más preferiblemente del orden de al menos 15.000 h-1, tal como por ejemplo los basados en renio o rodio, paladio, platino o mezclas de los mismos en cantidades generalmente de desde el 0,1% hasta el 10% en peso, y con sustrato.
Un ejemplo de estos catalizadores está representado por un catalizador basado en renio, en una cantidad de entre el 0,1% y el 10% en peso, que también contiene un segundo metal noble seleccionado de platino, rodio, iridio, rutenio y paladio, con un sustrato de alúmina.
Las características distintivas del presente generador con respecto a los conocidos son muchas.
En primer lugar, el uso de nuevos catalizadores dotados de una velocidad espacial superior conlleva el uso de una cantidad menor de catalizador con un endogas igual producido, gracias a la mayor actividad de superficie, restringiendo por tanto las dimensiones del sistema con respecto a las conocidas al mismo nivel de endogas producido. En segundo lugar, es posible reducir el diámetro de la retorta sin exceder la altura gracias al hecho de que se proporciona un número de retortas tal como para formar un haz de tubos de retortas con diámetro reducido. Dado que los tubos de las retortas del presente sistema tienen una sección reducida, la reacción entre metano (u otro hidrocarburo) y aire tiene lugar de manera homogénea en toda la sección horizontal del tubo dado que, en dicha sección, no hay ningún gradiente de temperatura: de hecho, el solicitante ha encontrado que, con tubos que tienen un diámetro nominal igual a o menor de 80 mm, el gradiente de temperatura entre el tubo interior y el tubo exterior es prácticamente nulo y la temperatura en el centro del tubo (núcleo) está más alineada con la temperatura en la proximidad de la superficie del tubo expuesta a las llamas del quemador. Esto determina necesariamente una mayor uniformidad de temperatura a lo largo de todo el lecho de catalizador, también a bajas velocidades de flujo, y esto permite obtener una composición uniforme más fácilmente a lo largo de todo el lecho, obteniendo un endogas con composición óptima también a bajas velocidades de flujo con respecto a la nominal.
Las razones molares entre aire y metano (u otro hidrocarburo) usadas en este caso están preferiblemente comprendidas entre 2,25/1 y 2,75/1, y la temperatura de reacción está comprendida entre 1000 y 1100°C, generalmente de aproximadamente 1050°C.
Debe entenderse que, en el presente sistema, es posible sustituir el aire ambiental por oxígeno en una mezcla con otros gases o por aire enriquecido con oxígeno o por oxígeno puro, sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.
Debe observarse que, en cada tubo, el catalizador sólo ocupa una sección con respecto a la longitud del tubo de catalizador contenido en la cámara de calentamiento, de modo que la sección vacía restante constituye una cámara de calentamiento de la mezcla de aire y metano (u otro hidrocarburo): a la vista del diámetro reducido de los tubos anteriormente mencionados, la mezcla de aire y metano (u otro hidrocarburo) se calienta rápidamente de manera satisfactoria en la sección vacía de cada tubo de catalizador, entrando por tanto en la sección de catalizador ventajosamente ya a la temperatura de reacción con una ventaja evidente del rendimiento.
Características adicionales de la invención resultarán más claras mediante la siguiente descripción detallada, que hace referencia a un ejemplo meramente no limitativo de la misma, ilustrado en los dibujos adjuntos en los que: la figura 1 es una vista en sección desde arriba del generador de la presente invención completo con control y panel eléctrico;
la figura 2 es una vista frontal de una sección vertical tomada a lo largo de la línea II-II de la figura 1;
la figura 3 es la vista de una sección vertical transversal tomada a lo largo de la línea III-III de la figura 1.
La figura 1 ilustra un generador de endogas, designado de manera global mediante el número de referencia 100. Comprende una cámara 1 de calentamiento cilíndrica exterior, aislada de manera apropiada (por ejemplo por medio del uso de material refractario) en cuyo interior están colocados una pluralidad de quemadores 2, quemadores que calientan una cámara 3 cilíndrica, colocada dentro de la cámara 1 exterior, mediante contacto directo con la llama de cada quemador colocado tangencialmente con respecto a dicha cámara 3 cilíndrica (figura 1).
Dentro de dicha cámara 3 cilíndrica interior están colocados una pluralidad de tubos de catalizador o retortas 4, que no están en comunicación de fluido entre sí. Dichas retortas están preferiblemente en un número mayor de tres. Dicha cámara 3 interior y dichos tubos 4 de catalizador constituyen, en conjunto, el reactor catalítico real contenido dentro de la cámara 1 de calentamiento exterior.
En este generador 100 según la presente invención no hay ningún contacto directo entre la llama (calentamiento) que roza la cámara 3 interior y los gases que reaccionan dentro de los tubos 4 de catalizador, que por tanto se calientan mediante convección e irradiación.
Los quemadores 2 están generalmente colocados de una manera opuesta con respecto a dicha cámara 3 cilíndrica interior para formar dos grupos de quemadores 2, proporcionando cada grupo de dichos quemadores 2 una serie de quemadores 2 alineados verticalmente entre sí (figura 3): esta disposición permite calentar de manera uniforme toda la superficie exterior de dicha cámara 3 interior que contiene dichas retortas 4.
Cada uno de dichos quemadores 2 puede recibir suministro por separado y de manera independiente; o dichos quemadores 2 pueden recibir suministro en grupos a través de uno o más colectores (no ilustrados en los dibujos): de esta manera, es posible modular el calentamiento según el número de tubos 4 de catalizador que reciben suministro y por tanto en función de la velocidad de flujo global en funcionamiento.
Se entiende que es posible proporcionar también el uso de un único quemador 2 sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.
Dichos reactores catalíticos tubulares o retortas 4 tienen, cada uno, un diámetro nominal igual a o menor de 80 mm, preferiblemente de aproximadamente 50-60 mm.
En los dibujos, dichas retortas 4 están en un número total de seis, aunque esto no es vinculante para los fines de la presente invención.
Cada reactor 4 catalítico se llena parcialmente con una cantidad apropiada de un catalizador basado en óxido de metal noble específico para endogas.
Este tipo de catalizador, más activo con respecto a los basados en níquel, permite una velocidad espacial superior (en cuanto al volumen de catalizador por hora/velocidad de flujo de gas), generalmente superior a 4.000 h-1, preferiblemente igual a o mayor de 10.000 h-1, más preferiblemente del orden de al menos 15.000 h-1 (o al menos 15 Nmc/h de gas reformado por litro de catalizador). En este caso, la forma del mismo es normalmente en esferas de pequeño diámetro comprendido entre 2,5 y 5 mm, para tener una alta superficie específica y bajas pérdidas de carga.
Dichos seis tubos 4 de catalizador de diámetro nominal igual a o menor de 80 mm, preferiblemente de aproximadamente 50-60 mm, se colocan dentro de la cámara 3 interior de una manera sustancialmente circular en forma de un haz de tubos para irradiarse todos por la cámara 3 interior de una manera homogénea unos con respecto a otros, durante su suministro simultáneo.
De esta manera, la reacción entre metano (u otro hidrocarburo) y aire puede tener lugar de una manera más homogénea a través de toda la sección de paso de flujo del tubo 4 de catalizador dado que la temperatura de núcleo está más alineada con la temperatura en la proximidad de la superficie del tubo 4 de catalizador, teniendo en cuenta que los presentes tubos o retortas 4 tienen una sección menor con respecto a reactores conocidos.
Cada uno de dichos tubos o retortas 4 está en comunicación de fluido con un tubo 5 de suministro respectivo que está dotado de una válvula 11 de cierre respectiva para permitir introducir o no introducir una porción Qi del flujo global Q (velocidad de flujo volumétrico) de la mezcla de aire y metano (u otro hidrocarburo) que se estableció previamente como flujo de suministro para el presente generador.
Por tanto, dichos tubos de catalizador o retortas 4 pueden recibir suministro, cada uno, de manera individual mediante el tubo 5 de suministro correspondiente, o recibir suministro en paralelo en grupos, mediante el suministro de uno o más distribuidores o colectores (no ilustrados en los dibujos) colocados aguas arriba de dichos tubos 5 de suministro.
Debe observarse que, en el presente sistema de haz de tubos en el que el flujo de alimentación global Q es la suma de los flujos Qi que entran en cada tubo 5 de suministro, la reducción de la velocidad de flujo global por medio de la exclusión de uno o más tubos garantiza que la velocidad óptima en cada uno de los tubos 4 de catalizador restantes permanece inalterada.
En la práctica, las válvulas 11 de cierre que excluyen de manera individual uno o más de dichos tubos 5 de suministro garantizan que, en funcionamiento, hay un flujo global Q que proporciona suministro al generador que es inferior con respecto al flujo nominal Qn para el que se dimensionó el generador, siendo dicho flujo global Q, en funcionamiento, la suma de los flujos Qi en la entrada de cada tubo 5 de suministro que está en funcionamiento. Después, una o más bombas de suministro (no ilustradas en los dibujos) pasarán a proporcionar suministro a los tubos 5 de suministro y/o los colectores respectivos, si están presentes, según métodos conocidos en sí mismos.
Ventajosamente, aguas arriba de las tuberías 5 de suministro, también puede proporcionarse un distributor de la mezcla de entrada de aire y metano (u otro hidrocarburo), que incluye una pluralidad de válvulas de cierre con el fin de poder excluir de manera individual o por parejas los tubos 4 de catalizador, para parcializar el flujo de gas sin hacer variar significativamente la velocidad de paso de gas sobre el catalizador con respecto al flujo de gas nominal. Por tanto, el sistema con seis tubos o retortas puede producir endogas con composición óptima constante también a velocidades de flujo de suministro reducidas en el 90% con respecto a la velocidad de flujo nominal, ventajosamente comprendida dentro del intervalo de 50-200 Nmc/h.
La fabricación de un reactor catalítico de oxidación parcial por medio del uso de una pluralidad de tubos 4 de catalizador de pequeño diámetro, colocados en paralelo uno con respecto al otro a modo de un haz de tubos dentro de una cámara de calentamiento, y que pueden seleccionarse de manera individual, permite además ventajosamente la exclusión de uno o más tubos 4 de catalizador que se encontró que presentaban un rendimiento insuficiente en cuanto a la composición del gas producido, sin poner significativamente en peligro la velocidad de flujo total producida (reducción en aproximadamente el 30% de la velocidad de flujo nominal normalmente aceptable también en sistemas conocidos con una retorta).
Además, la exclusión de cuatro de los seis tubos 4 de catalizador permite la obtención de una composición óptima del endogas con una velocidad de flujo reducida en un 67% con respecto a la velocidad de flujo nominal, reducción que normalmente no puede obtenerse en la técnica con los sistemas con una o dos retortas.
Puede llevarse a cabo un control de las condiciones de funcionamiento de cada tubo 4 de catalizador por medio del control de la presión de suministro, cuyo valor depende de las pérdidas de carga del sistema y por consiguiente del nivel de ensuciamiento (formación de hollín) del catalizador.
Además, dado que el generador tiene varios tubos 4 de reacción disponibles, es posible sustituir únicamente los tubos de reacción que se encuentre que están dañados, reduciendo los costes de mantenimiento.
Después, el gas producido por cada tubo 4 de catalizador se enfría por medio de al menos un intercambiador 7 de calor de gas/aire cuya construcción permite que los flujos de gas que salen de los tubos 4 de catalizador se mantengan independientes unos de otros.
Dicho intercambiador 7 de calor está en forma de un conducto y está colocado fuera de la cámara 1 exterior: contiene de manera interna una pluralidad de tubos 6 de enfriamiento, del tipo con aletas, cada uno en comunicación de fluido con el reactor 4 catalítico relativo; o dicho intercambiador 7 de calor puede contener únicamente un tubo 6 con aletas asociado con un tubo 4 de catalizador respectivo de modo que el número de intercambiadores 7 es igual al número de tubos 4 de catalizador proporcionados en el presente sistema.
En una realización, los seis tubos 6 con aletas están todos colocados dentro de un primer conducto 7 colocado fuera de la cámara 1 exterior, que está conectada a un segundo conducto 8 a partir del cual entra el aire necesario para el enfriamiento de dichos tubos 6 con aletas.
También es posible agrupar entre sí los seis tubos 6 con aletas en tres intercambiadores 7 de calor de gas/aire (y por tanto en tres conductos 8), paralelos entre sí, dando cada intercambiador 7 servicio a un par de tubos 4 de reacción. Esta disposición es particularmente ventajosa en condiciones de funcionamiento con regímenes parciales, dado que es posible excluir uno de los intercambiadores, mejorando el consumo específico de energía.
Además, también es posible proporcionar varios intercambiadores 7 a los que va a suministrarse, en paralelo, un flujo de aire de enfriamiento que fluye dentro de un único segundo conducto 8.
El presente generador 100 también proporciona un panel 10 eléctrico a bordo de la máquina para el suministro eléctrico de las máquinas eléctricas necesarias para su funcionamiento (ventilador 9, bombas, etc.).
El ventilador 9 es un ventilador con alta velocidad de flujo (> 10000 mc/h) que mueve el aire en el conducto 8 enfriando los gases producidos en cuanto salen del catalizador situado en la parte inferior de la cámara 1 de calentamiento.
Por tanto, la función del haz de tuberías no es sólo la de aumentar la eficiencia del sistema aumentando las superficies de reacción o intercambio, sino, en vez de eso, tener un generador cuya velocidad de flujo total sea el resultado de una serie de tubos independientes, cada uno de los cuales aporta su propia contribución a lograr la velocidad de flujo total.
Dado que dicho generador es el resultado de una serie de submódulos (seis en el caso de las figuras 1-3 en las que hay seis tubos 4 de catalizador y seis tubos 6 con aletas respectivos), haciendo variar el número de los mismos y ajustando la sección de calentamiento y enfriamiento, es posible obtener cantidades comprendidas dentro del intervalo de 50-200 Nmc/h de endogas producido haciendo variar el número de tubos 4 de catalizador y de filas de tubos correspondientes en el intercambiador 7 para el enfriamiento.
Dado que cada tubo 4 de catalizador está dimensionado con el fin de producir ventajosamente 15 - 20 mc/h de endogas, el sistema de 100 mc/h proporciona 6 módulos y un sistema de 200 mc/h, 12. Asimismo, el número de filas de tubos del intercambiador está directamente relacionado con el número de tubos de catalizador.
Debe observarse que, en generadores de endogas conocidos, el enfriamiento se realiza ventajosamente con agua y no con aire: en el presente sistema es posible usar aire, en vez de agua, de una manera eficientes, gracias al uso de tubos con aletas con un diámetro mucho más pequeño con respecto a los de los intercambiadores de los sistemas conocidos, de modo que el intercambio de enfriamiento es bueno.
A diferencia de las soluciones conocidas, el tipo de construcción según la presente invención permite el enfriamiento del endogas producido inmediatamente a la salida de la cámara de calentamiento sin la interposición de componentes adicionales que limiten la eficiencia del sistema.
En esta realización específica descrita anteriormente haciendo referencia a los dibujos, el generador de endogas es un sistema del tipo de arriba-abajo, es decir con el suministro de la mezcla de aire y metano (u otro hidrocarburo) que entra desde la parte superior del reactor 100 y el endogas que sale desde la parte inferior del reactor 100: sin embargo, se entiende que esta realización no limita el alcance de la presente invención y que puede usarse un suministro de la mezcla de aire y metano (u otro hidrocarburo) desde abajo y una salida del endogas desde arriba, sin por ello alejarse del alcance de la presente invención.
Debe observarse además que se ha ilustrado que el enfriamiento de aire-gas en el presente sistema es a co­ corriente aunque, sin embargo, puede realizarse a contracorriente sin por ello alejarse del espíritu de la presente invención.
La mezcla endotérmica producida por el presente generador se usa como atmósfera protectora en tratamientos térmicos y/o de superficie de metales (con respecto a la oxidación) y como una mezcla que puede conferir determinadas propiedades mecánicas al metal sometido al tratamiento, por ejemplo en la carburización de superficie de partes de acero destinadas a elementos mecánicos que tienen que combinar resistencia a la fatiga con dureza de superficie y resistencia al desgaste.
La presente invención no está limitada a las realizaciones particulares anteriormente descritas e ilustradas en los dibujos adjuntos, sino que pueden realizarse numerosos cambios detallados en las mismas, dentro del alcance del experto en la técnica, sin por ello alejarse del alcance de la propia invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (9)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Generador (100) para producir una mezcla de gases endotérmica por medio de una reacción de combustión incompleta de una mezcla gaseosa de aire y metano u otro hidrocarburo, en defecto estequiométrico de oxígeno y sin agua/vapor,
    comprendiendo dicho generador (100)
    - una cámara (1) de calentamiento cilíndrica exterior que suministra calor a un reactor catalítico contenido dentro de dicha cámara (1) exterior, conteniendo dicho reactor un catalizador basado en óxido de metal noble para la oxidación parcial de una mezcla de aire-metano u otro hidrocarburo;
    - al menos tres tubos (4) de catalizador, paralelos entre sí, dispuestos en forma de un haz de tubos dentro de dicho reactor catalítico, teniendo cada uno de dichos tubos (4) un diámetro nominal igual a o menor de 80 mm,
    - al menos un intercambiador (7) de calor de gas/aire para el enfriamiento de la mezcla de gases endotérmica producida, estando dicho intercambiador (7) de calor en forma de un conducto y colocado fuera de dicha cámara (1) exterior, comprendiendo dicho intercambiador (7) al menos un tubo (6) de enfriamiento, estando cada tubo (6) de enfriamiento en comunicación de fluido con un tubo (4) de catalizador respectivo,
    estando dicho generador caracterizado porque
    dicho reactor catalítico está constituido por una cámara (3) interior que contiene dentro dichos tubos (4) de catalizador,
    cada tubo (4) de catalizador está en comunicación de fluido con un tubo (5) de suministro respectivo, externo a dicha cámara (1) de calentamiento, para suministrar a dicho tubo (4) de catalizador un flujo (Qi) que es una porción de una velocidad de flujo nominal predeterminada (QN) de dicha mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo,
    conteniendo cada tubo (4) de catalizador el catalizador únicamente en una sección con respecto a la longitud del tubo de catalizador contenido en la cámara (1) de calentamiento, de modo que la sección vacía restante constituye una cámara de calentamiento de la mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo, estando dicho cada tubo (5) de suministro dotado de una válvula (11) de cierre respectiva,
    estando dichas válvulas (11) de cierre adaptadas para excluir de manera individual dicho flujo de suministro (Qi) de uno o más de dichos tubos (5) de suministro para obtener un flujo de suministro global menor (Q) con respecto a dicho flujo nominal (Qn), siendo dicho flujo global (Q) la suma de los flujos (Qi) en la entrada de cada tubo (5) de suministro en funcionamiento; y
    caracterizado porque dicha cámara (1) cilíndrica exterior comprende de manera interna una pluralidad de quemadores (2) que calientan dicha cámara (3) interior y colocados de una manera opuesta con respecto a dicha cámara (3) cilíndrica interior y alineados verticalmente de una manera tal como para calentar de manera uniforme toda la superficie exterior de dicha cámara (3) interior que contiene dichos tubos (4) de catalizador.
  2. 2. Generador (100) según la reivindicación 1, en el que aguas arriba de dichos tubos (5) de suministro de dichos tubos (4) de catalizador se proporciona un distributor.
  3. 3. Generador según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho intercambiador (7) de calor de gas/aire está constituido por al menos un conducto dentro del cual están colocados una pluralidad de tubos (6) de enfriamiento, paralelos entre sí y en un número igual al número de dichos tubos (4) de catalizador.
  4. 4. Generador según la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho intercambiador (7) de calor sólo contiene un tubo (6) de enfriamiento asociado con un tubo (4) de catalizador respectivo de modo que el número de intercambiadores 7 es igual al número de dichos tubos (4) de catalizador.
  5. 5. Generador (100) según la reivindicación 3 ó 4, que comprende además al menos un conducto (8) para la entrada de aire para el enfriamiento de dicho gas endotérmico, estando dicho conducto (8) en comunicación de fluido con dichos intercambiadores (7) de calor de gas/aire.
  6. 6. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además medios (9) para el movimiento del aire de enfriamiento.
  7. 7. Generador según la reivindicación 6, en el que dichos medios (9) para el movimiento del aire de enfriamiento están en forma de un ventilador.
  8. 8. Generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el catalizador usado se basa en renio que también contiene un segundo metal noble seleccionado de platino, rodio, iridio, rutenio y paladio, soportado sobre alúmina.
  9. 9. Procedimiento para generar gas endotérmico por medio de oxidación parcial, en defecto estequiométrico de oxígeno y en ausencia de agua/vapor, de una mezcla de aire-metano u otro hidrocarburo en presencia de un catalizador para la oxidación parcial basado en óxidos de metales nobles, que tiene una velocidad espacial superior a 4000 h-1,
    comprendiendo dicho procedimiento el suministro de una mezcla de aire y metano u otro hidrocarburo, en defecto estequiométrico de oxígeno y en ausencia de agua/vapor, a un reactor catalítico constituido por al menos tres tubos (4) de catalizador, dotados, cada uno, de un tubo (5) de suministro respectivo en el que hay una válvula (11) de cierre respectiva, estando dicho reactor catalítico contenido en un generador (100) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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