ES2943534T3 - Reactor y procedimiento para realizar una reacción química - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un reactor (100, 200) para llevar a cabo una reacción química, que tiene una vasija del reactor (10) y uno o más tubos de reacción (20), varios tramos de tubería (21, 22) del uno o más tubos de reacción (20) discurren dentro de la vasija del reactor y donde las secciones de tubería (21, 22) están conectadas eléctricamente o pueden conectarse a una o más conexiones de alimentación en un área de alimentación de energía (11) para el calentamiento eléctrico de la tubería secciones. En el área de alimentación de energía (11) está prevista la disposición de disposiciones de alimentación de energía (40), a las que se conecta eléctricamente una de las secciones de tubería (21, 22) o un grupo respectivo de secciones de tubería (21, 22), (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Reactor y procedimiento para realizar una reacción química
La invención se refiere a un reactor y un procedimiento para realizar una reacción química según los preámbulos de las reivindicaciones independientes.
Estado de la técnica
En una serie de procedimientos de la industria química, se utilizan reactores en los que uno o varios reactivos se introducen a través de tubos de reacción calentados en los que reaccionan catalítica o no catalíticamente. El calentamiento sirve a este respecto, en particular, para superar la energía de activación necesaria para la reacción química. La reacción puede ser en su conjunto endotérmica o, tras superar la energía de activación, exotérmica. La presente invención se refiere en particular a reacciones fuertemente endotérmicas.
Ejemplos de tales procedimientos son el craqueo con vapor, diferentes procedimientos de reformado, en particular el reformado con vapor, el reformado en seco (reformado con dióxido de carbono), procedimientos de reformado mixtos, procedimientos para la deshidrogenación de alcanos y similares. En el craqueo con vapor, los tubos de reacción se guían a este respecto a través del reactor en forma de serpentines tubulares (en inglés, coils), que presentan al menos una curva de inversión en el reactor, mientras que en el reformado con vapor generalmente se utilizan tubos que recorren el reactor sin curvas de inversión.
La invención es adecuada para todos estos procedimientos y diseños de tubos de reacción. A título meramente ilustrativo, se hace referencia en este caso a los artículos “ Ethylene” , “ Gas Production” y “ Propene” de la Encyclopedia of Industrial Chemistry de Ullmann, por ejemplo, las publicaciones del 15 de abril de 2009, DOI: 10.1002/14356007.a10_045.pub2, del 15 de diciembre de 2006, DOI: 10.1002/14356007.a12_169.pub2, y del 15 de junio de 2000, DOI: 10.1002/14356007.a22_211.
Los tubos de reacción de los correspondientes reactores se calientan convencionalmente mediante el uso de quemadores. Los tubos de reacción son guiados a este respecto a través de una cámara de combustión en la que también están dispuestos los quemadores.
Sin embargo, como se describe, por ejemplo, en el documento DE 102015 004 121 A1 (al mismo tiempo EP 3075 704 A1), en la actualidad existe una demanda creciente de gas de síntesis e hidrógeno, por ejemplo, que se produzcan sin emisiones locales de dióxido de carbono o con emisiones reducidas. Sin embargo, esta demanda no puede satisfacerse mediante procedimientos que utilizan reactores de combustión, debido a la combustión de soportes energéticos generalmente fósiles. Otros procedimientos se descartan, por ejemplo, por su elevado coste. Lo mismo se cumple también para el suministro de olefinas y/u otros hidrocarburos mediante craqueo con vapor o deshidrogenación de alcanos. También en estos casos, existe el deseo de procedimientos que emitan menores cantidades de dióxido de carbono, al menos in situ.
Con estos antecedentes, en el citado documento DE 102015 004 121 A1 se propone un calentamiento eléctrico de un reactor para el reformado con vapor, adicionalmente a una alimentación con combustible. En este sentido, se utilizan una o varias fuentes de tensión que proporcionan una tensión alterna trifásica en tres conductores exteriores. Cada conductor exterior está conectado a un tubo de reacción. Se forma una conexión en estrella en la que se realiza un centro de estrella mediante un colector en el que se desembocan los conductos tubulares y al que se conectan los tubos de reacción de manera conductora. De este modo, el colector permanece idealmente libre de potencial. El colector está dispuesto por debajo y fuera de la cámara de combustión en relación con la vertical y preferiblemente se extiende transversalmente a los tubos de reactor o a lo largo de la horizontal. El documento WO 2015/197181 A1 también divulga un reactor cuyos tubos de reacción están dispuestos en una conexión de centro de estrella.
En principio, también es concebible calentar eléctricamente los reactores utilizando corriente continua o corriente alterna monofásica. En este caso, no se puede realizar una conexión en estrella con un centro de estrella sin potencial, pero la alimentación de corriente se puede realizar básicamente de forma similar. La presente invención es adecuada para ambas variantes de calefacción eléctrica.
En particular, la alimentación de corriente ha demostrado ser un reto para este tipo de reactores calentados eléctricamente debido a los elevados flujos de corriente y las altas temperaturas. Por lo tanto, la invención se propone el objetivo de mejorar los correspondientes reactores calentados eléctricamente para llevar a cabo reacciones químicas.
Descripción de la invención
Con estos antecedentes, la presente invención se refiere a un reactor y un procedimiento para realizar una reacción química según los preámbulos de las reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes, así como la siguiente descripción, tienen por objeto diversas realizaciones.
En el concepto de horno, generalmente parcialmente electrificado (el término “ horno” se utiliza habitualmente para designar un correspondiente reactor o al menos su cámara de reacción aislada térmicamente) en el que se basa la presente invención, al menos uno de los tubos de reacción o correspondientes tramos de tubo de estos (en lo sucesivo también denominados “tubos” para abreviar) se utiliza a su vez como resistencia eléctrica para generar calor. Esta estrategia tiene la ventaja de una mayor eficiencia en comparación con el calentamiento indirecto mediante cuerpos calefactores eléctricos externos, así como una mayor densidad de flujo térmico alcanzable. En el marco de la invención, se incluye la posibilidad de proporcionar una parte de la potencia calorífica total utilizada en el horno también mediante la combustión de soportes energéticos químicos.
Por lo tanto, cuando en el presente documento se habla de calefacción eléctrica, esto no excluye la presencia de calefacción adicional no eléctrica. En particular, también puede estar previsto variar las contribuciones de la calefacción eléctrica y no eléctrica a lo largo del tiempo, por ejemplo, en función de la oferta y el precio de la electricidad o la oferta y el precio de fuentes de energía no eléctrica como, por ejemplo, gas natural.
En el caso del calentamiento con corriente alterna multifásica, la alimentación de corriente se efectúa en los tubos de reacción calentados directamente a través de M fases conectadas por separado. Los tubos de reacción conductores de corriente conectados a las M fases están conectados ventajosamente también eléctricamente en un centro de estrella. El número de fases M es en particular 3, correspondiente al número de fases de las fuentes de corriente trifásicas habituales o de las redes de corriente trifásicas. En principio, sin embargo, la presente invención no se limita al uso de tres fases, sino que también puede utilizarse con un número mayor de fases, por ejemplo, 4, 5, 6, 7 u 8. Un desplazamiento de fase es a este respecto en particular de 360°/M, es decir 120° para una corriente trifásica.
Mediante la conexión en estrella en el centro de estrella, se consigue una conexión equipotencial entre las fases en un sistema de calefacción eléctrica con corriente alterna multifásica, lo que hace superfluo el aislamiento eléctrico de los conductos tubulares conectados. Esto representa una ventaja particular de tal concepto de horno, ya que una interrupción de los tubos metálicos de reacción para el aislamiento de ciertas secciones no es deseable, en particular debido a las altas temperaturas utilizadas y al elevado esfuerzo material y de construcción requerido.
Sin embargo, las medidas descritas a continuación y propuestas según la invención son igualmente adecuadas para el uso de corriente continua y la presente invención puede utilizarse tanto en reactores calentados con corriente alterna como con corriente continua o también en las correspondientes formas mixtas. En una disposición de corriente continua, únicamente el tipo de fuente de corriente y el área de los tubos de reacción o de las correspondientes secciones solicitadas con corriente opuesta a la alimentación de corriente son diferentes en comparación con una disposición de corriente alterna. En este último caso, la conexión eléctrica de los distintos tramos de tubo solo se realiza de forma opcional. Dado que en una disposición de corriente continua no existe ningún centro de estrella libre de potencial, deben preverse elementos de toma de corriente adecuados para guiar el flujo de corriente de forma segura hacia el exterior. Básicamente, lo mismo se cumple para la corriente alterna monofásica, que también puede utilizarse.
En el lenguaje de las reivindicaciones de patente, la presente invención se refiere a este respecto a un reactor para realizar una reacción química (o calentamiento), que comprende un recipiente de reactor (es decir, una zona aislada térmicamente o al menos parcialmente aislada) y uno o varios tubos de reacción, en donde un número de tramos de tubo del uno o los varios tubos de reacción discurre dentro del recipiente de reactor, y en donde, en una zona de alimentación de corriente para calentar eléctricamente los tramos de tubo, estos están conectados o se pueden conectar eléctricamente en cada caso a una o varias conexiones de corriente, concretamente, en el caso de una disposición de corriente continua, a una o varias conexiones de corriente continua y, en el caso de una disposición de corriente alterna, a la conexión o las conexiones de fase (“conductores exteriores” ) de la fuente de corriente alterna, como se explica detalladamente más adelante.
Una alimentación de corriente, como se entiende en este caso, tiene lugar aplicando una tensión que provoca un flujo de corriente. El suministro de una tensión y el suministro de una corriente son, por tanto, sinónimos; lo mismo se cumple para los términos de fuente de corriente y fuente de tensión, conexión de corriente y conexión de tensión, así como otros términos equiparables.
Como ya se ha mencionado, a este respecto, en las disposiciones que funcionan con corriente alterna polifásica, a través de las conexiones de fase se suministran en cada caso tensiones alternas que están desfasadas de la manera explicada anteriormente. Como fuentes de corriente alterna multifásica pueden servir redes de abastecimiento o generadores y/o transformadores adecuados. En tales disposiciones, se pueden formar en particular de manera conocida circuitos en estrella cuyos centros estrella idealmente están libres de potencial.
En cambio, en las disposiciones que funcionan con corriente continua, se alimentan los mismos o diferentes potenciales eléctricos estáticos a través de las conexiones de corriente continua. Dado que en este caso no es posible una conexión en estrella, deben preverse elementos de toma de corriente o de puesta a tierra. Las fuentes de alterna monofásicas pueden utilizarse de forma similar. Tampoco en este caso es posible la formación de centros de estrella. Los términos “ alimentación” y “toma” pueden referirse a la dirección física o técnica de la corriente.
En el recipiente de reactor, los tramos de tubo discurren libremente, en particular al menos por secciones, es decir, sin soporte mecánico, sin contacto eléctrico y/o sin conexiones transversales de flujo o puramente mecánicas entre sí. En particular, a este respecto presentan secciones esencialmente rectas, en donde por “esencialmente rectas” se debe entender con una desviación angular inferior a 10° o 5°
En particular, las reacciones de escisión durante el craqueo con vapor son reacciones fuertemente endotérmicas. Para proporcionar la energía necesaria para la reacción mediante calentamiento directo (resistencia óhmica), se requieren por tanto corrientes elevadas que, en el concepto de reactor mencionado, son proporcionadas por uno o varios transformadores ubicados fuera del reactor.
La corriente eléctrica debe conducirse con las menores pérdidas posibles (baja resistencia eléctrica) desde el exterior hacia el interior del reactor aislado térmicamente y hacia las zonas de conducción del proceso. En estas últimas, la reacción endotérmica junto con el medio de proceso que fluye muy rápido en el interior del tubo (alta transferencia de calor) conduce a un enfriamiento muy eficaz de los tubos de reactor, o a una densidad de flujo de calor muy alta en el lado interior del tubo. De este modo, en los tubos que conducen el proceso se consigue la transferencia directa de calor deseada desde el material tubular, al menos parcialmente calentado eléctricamente, al gas de proceso.
Un problema particular se refiere al mencionado suministro de baja pérdida de la corriente de alta tensión a los tubos que conducen el proceso. Si hay que alimentar corriente a los tubos del interior del reactor, esta alimentación debe realizarse forzosamente a través de conductos que no puedan enfriarse por transferencia de calor convectiva directa con un gas de proceso más frío, como también se explicará más adelante. A este respecto, esto no debe dar lugar a un aumento inadmisible de la temperatura en las zonas menos eficientemente refrigeradas. Además, a través de esta alimentación debe superarse un fuerte aumento de la temperatura de hasta 900 K (diferencia máxima de temperatura entre el entorno y el reactor) en trayectos cortos (en algunos casos inferiores a 1 metro).
Para reducir las pérdidas térmicas y lograr así un alto grado de rendimiento del sistema, es forzosamente necesario colocar los tubos de reactor calentados directamente por electricidad en una caja aislada (denominada en este caso recipiente de reactor). Al atravesar la pared aislada térmicamente del recipiente de reactor, el conductor de corriente debe superar a este respecto una zona cuasi adiabática sin que se produzcan temperaturas locales inadmisiblemente altas en estas zonas.
Según la invención, para lograr este objetivo, en la zona de alimentación de corriente se prevén disposiciones de alimentación de corriente, a las que se conecta eléctricamente en cada caso un tramo de tubo o en cada caso un grupo de tramos de tubo. Los tramos de tubo se prevén en un número tal que en cada caso un tramo de tubo o en cada caso un grupo de varios tramos de tubo se puede conectar en cada caso a una de las disposiciones de alimentación de corriente y a la inversa. El número de disposiciones de alimentación de corriente se orienta a este respecto por el número de conexiones de fase de la fuente de corriente alterna polifásica, en el caso de una disposición de corriente alterna, o este número se corresponde con el número de conexiones de corriente continua. Puede ser igual al número de conexiones de fase o un múltiplo entero del mismo cuando se utiliza una disposición de corriente alterna. En este último caso, por ejemplo, en cada caso dos de las disposiciones de alimentación de corriente pueden conectarse en cada caso a una de las conexiones de fase de la fuente de corriente alterna, etc.
Según la invención, las disposiciones de alimentación de corriente comprenden, cada una, una primera y una segunda sección, en donde la primera sección se extiende a lo largo de un eje longitudinal a partir del respectivo tramo de tubo o del respectivo grupo de tramos de tubo o de un elemento conectado a estos en cada caso (es decir, el respectivo tramo de tubo o el respectivo grupo de tramos de tubo), en donde la primera sección rodea la segunda sección o la segunda sección rodea la primera sección al menos parcialmente en forma de manguito en una zona de las disposiciones de alimentación de corriente, y en donde la primera sección y la segunda sección presentan superficies de contacto alineadas oblicuamente con respecto al eje longitudinal para entrar en contacto entre sí. El eje longitudinal puede ser paralelo a un eje longitudinal de los respectivos tramos de tubo, aunque no es necesario. La indicación “ al menos parcialmente” se refiere a los casos en los que la respectiva sección circundante presenta, por ejemplo, recortes laterales que están previstos, por ejemplo, para el alojamiento de nervaduras de refrigeración de la sección circundante que sobresalen.
Según la invención, las disposiciones de alimentación de corriente discurren en cada caso además en un paso de pared a través de una pared del recipiente de reactor, en donde en particular las zonas de las disposiciones de alimentación de corriente en las que la primera sección rodea a la segunda sección o la segunda sección rodea a la primera sección, en cada caso al menos parcialmente en forma de manguito, están dispuestas en los pasos de pared. En particular, la “ pared” del recipiente de reactor también puede ser una pared intermedia con otro espacio en el que estén conectadas las disposiciones de alimentación de corriente, por ejemplo, con filamentos flexibles o cables, y que a su vez está delimitado hacia el exterior por medio de al menos otra pared. En particular, la pared está configurada para ser térmicamente aislante.
En el marco de la presente invención, las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente pueden conectarse a los respectivos tramos de tubo o a los respectivos grupos de tramos de tubo de cualquier manera. Por ejemplo, pueden soldarse, fundirse o formarse de una sola pieza con una o varias curvas de inversión o secciones de tubo rectas, por ejemplo, mediante fundición centrífuga. Las primeras secciones también pueden presentar pasajes
de fluido a los que el respectivo tramo de tubo o el respectivo grupo de tramos de tubo están unidos por adherencia de materiales, es decir, por ejemplo, soldados. Expresado de manera más general, en el marco de la presente invención hay, por tanto, una unión por adherencia de materiales, en particular en forma de una unión soldada, entre las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente y los respectivos tramos de tubo o los respectivos grupos de tramos de tubo, o las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente y los respectivos tramos de tubo o los respectivos grupos de tramos de tubo están formados de una sola pieza.
Por ejemplo, como se describe con más detalle a continuación, los tramos de tubo curvados en cada caso pueden discurrir en línea recta o en forma de curva de inversión a través de las disposiciones de alimentación de corriente. De este modo, se pueden configurar codos con pared de refuerzo a través de una parte de las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente. Los tubos de reacción sin curvas de inversión pueden ser, en particular, manguitos con pared de refuerzo.
Dependiendo del diseño específico, los tramos de tubo, que discurren, por ejemplo, entre la zona de alimentación de corriente y una conexión a tierra o un puente en estrella en el recipiente de reactor, pueden soldarse en cada caso a componentes prefabricados en forma de las primeras secciones de las secciones de alimentación de corriente en las que discurren uno o varios pasajes de fluido, o las primeras secciones pueden estar fundidas en los tramos de tubo. En este último caso, pueden proporcionarse tubos continuos y las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente pueden fabricarse mediante un proceso de fundición, sobremoldeo o soldadura.
Se entiende que las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente no interrumpen un flujo de fluido en los respectivos tramos de tubo, de modo que siempre se forma un canal continuo para el fluido de proceso que debe pasar a través de los tramos de tubo. En particular, el interior de tubo de los respectivos tramos de tubo también se prolonga a este respecto en la zona de las disposiciones de alimentación de corriente y, concretamente, sin ningún estrechamiento o ensanchamiento apreciable, en donde un estrechamiento o ensanchamiento “apreciable” se refiere a un estrechamiento o ensanchamiento de más del 10 % del área de sección transversal.
El término “disposiciones de alimentación de corriente” se utiliza en el presente documento para expresar que las correspondientes disposiciones son aquellas en las que existe una conexión conductora a una conexión de corriente a través de componentes metálicos, aunque en ciertos diseños de la invención al menos las primeras secciones de las “disposiciones de alimentación de corriente” sean prolongaciones continuas de los tramos de tubo.
En un diseño particularmente preferido de la presente invención, las superficies de contacto oblicuas de las primeras y segundas secciones de las disposiciones de alimentación de corriente pueden estar configuradas como superficies interiores y exteriores cónicas. Las superficies interiores cónicas están configuradas a este respecto en particular en la sección que rodea en cada caso al menos parcialmente en forma de manguito la otra sección y, concretamente, en particular en el extremo interior de una entalladura configurada para alojar la sección que está rodeada al menos parcialmente a modo de manguito. Las superficies exteriores cónicas están configuradas en particular en la sección rodeada en cada caso al menos parcialmente por la otra sección y, concretamente, en particular en el extremo de una zona en forma de varilla de una correspondiente sección que está rodeada al menos parcialmente en forma de manguito en cada caso por la otra sección.
Las superficies de contacto esféricas o semiesféricas o seccionalmente esféricas o curvas también deben considerarse “oblicuas” en el sentido considerado en el presente documento; además, pueden preverse roscas, uniones atornilladas o formas configuradas en forma de cubos acanalados o ejes acanalados.
En lo sucesivo, nos referiremos repetidamente a “ la primera sección de las disposiciones de alimentación de corriente” o a “ la segunda sección de las disposiciones de alimentación de corriente” . Se trata únicamente de una simplificación lingüística y puede referirse a la primera o la segunda sección de todas las disposiciones de alimentación de corriente o solo a una parte de ellas.
Las superficies cónicas interior y exterior están dispuestas a este respecto de tal manera que pueden ponerse en contacto entre sí mediante encaje o agrupación de las secciones primera y segunda de las disposiciones de alimentación de corriente. De este modo, se puede crear eficazmente una superficie de contacto eléctrico y térmico entre estos elementos sin tener que crear una unión material entre ellos, lo que puede ser costoso o imposible en términos de técnicas de fabricación. En otras palabras, se puede efectuar una alimentación de corriente eficaz sin tener que fabricar toda la disposición de alimentación de corriente con el mismo material. Por el contrario, la primera y la segunda sección pueden adaptarse en cada caso específicamente a las funciones requeridas en cada caso. Por ejemplo, el material de la primera sección puede seleccionarse explícitamente atendiendo a la resistencia a la temperatura y a una conductividad suficiente a las correspondientes temperaturas, y el material de la segunda sección puede diseñarse atendiendo a una buena conductividad y conectividad con otros materiales en un rango menos crítico con respecto a las temperaturas predominantes. De este modo, los efectos ventajosos de la alimentación de corriente mediante correspondientes disposiciones de alimentación de corriente pueden conseguirse con menor esfuerzo en términos de tecnología de materiales y con menor esfuerzo de fabricación, y las estructuras pueden adaptarse a las funciones requeridas.
Una ventaja especial de la utilización de superficies de contacto cónicas, además de las ventajas ya mencionadas, es el autocentrado de las secciones primera y segunda de las disposiciones de alimentación de corriente entre sí, de modo que, especialmente cuando se ejerce una correspondiente fuerza de empuje, se simplifica la disposición funcional de los elementos y el montaje.
En diseños de la presente invención, las superficies de contacto cónicas están formadas como superficies interiores y exteriores de una envoltura cónica o como superficies interiores y exteriores de la envoltura cónica de un cono truncado. En todos los casos, el extremo terminal de la sección rodeada en cada caso al menos parcialmente por la otra sección en forma de manguito puede encajarse completamente en una estructura complementaria correspondiente de la sección rodeada al menos parcialmente en forma de manguito, en donde el uso de una envoltura cónica da lugar a una superficie de transferencia máxima y el uso de un cono truncado puede dar lugar en particular a ventajas técnicas de fabricación, ya que, en este sentido, la punta del cono en este sentido no necesita estar completamente formada. Un cono truncado no tiene una punta que pueda sufrir daños.
En el marco de un correspondiente diseño de la presente invención, las superficies de contacto cónicas pueden incluir un ángulo de cono de 40 a 120°, en particular, por ejemplo, de aproximadamente 45° o 60°. Por “ángulo de cono” debe entenderse a este respecto el ángulo encerrado por las generatrices opuestas entre sí del cono o tronco de cono, en relación con el eje de simetría, definido por las superficies de contacto cónicas. Según la definición utilizada en el presente documento, el ángulo de cono se corresponde con el doble del ángulo entre el eje de simetría y cada generatriz. Cuanto menor sea el ángulo de cono, es decir, cuanto “más puntiagudo” sea el correspondiente cono o cono truncado, mayor será la superficie de contacto para la transición térmica y eléctrica. Con ángulos de cono más pequeños, es decir, cuando un cono o cono truncado tiene un diseño “ más romo” , el resultado es un diseño más robusto.
En un diseño particularmente preferido de la presente invención, se puede proporcionar un elemento de pretensado deformable elásticamente que presione la segunda sección de las disposiciones de alimentación de corriente a lo largo del eje longitudinal mencionado hacia la primera sección. En particular, en relación con el mencionado diseño cónico de las superficies de contacto, puede establecerse de este modo un contacto permanente y seguro, ya que un cono o un cono truncado puede presionarse de este modo permanentemente hacia el interior de una correspondiente estructura complementaria. De este modo, incluso una dilatación térmica diferente de la primera sección y de la segunda sección no conduce a una separación de las superficies de contacto entre sí.
En particular, el elemento de pretensado deformable elásticamente puede configurarse como un resorte (helicoidal). Por ejemplo, cuando la primera sección de las disposiciones de alimentación de corriente rodea al menos parcialmente la segunda sección en forma de manguito, puede preverse un anillo de cojinete o una concha de cojinete que se atornille a la primera sección y que dé apoyo a un correspondiente resorte. El resorte puede actuar directamente sobre la segunda sección, que está rodeada al menos parcialmente por la primera sección en forma de manguito, o sobre una correspondiente contraestructura. En el caso de un resorte helicoidal, este puede disponerse en particular alrededor de la segunda sección. En lugar de resortes helicoidales, también pueden preverse, por ejemplo, anillos ondulados o similares. La invención no está limitada por un diseño específico.
Como alternativa al diseño cónico de las superficies de contacto, estas también pueden configurarse como superficies roscadas. En otras palabras, en este diseño de la presente invención, se puede prever que la primera sección de las disposiciones de alimentación de corriente se atornille a la segunda sección o a la inversa. Mediante un correspondiente atornillado, se puede efectuar una expansión del elemento atornillado en cada caso, lo que puede garantizar una disposición aún más firme de los elementos y, por tanto, de las superficies de contacto entre sí, incluso con diferentes dilataciones térmicas.
En un diseño particularmente preferido de la presente invención, la segunda sección de las disposiciones de alimentación de corriente en particular puede estar provista de elementos de ampliación de superficie y/o unida a estos. Por ejemplo, estos pueden estar configurados en forma de nervaduras de refrigeración. De este modo, puede efectuarse una disipación selectiva del calor de las segundas secciones.
Si no está prevista desde el principio una configuración de una sola pieza de las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente y los tramos de tubo, en los correspondientes diseños de la invención dichos componentes están unidos por adherencia de materiales de manera resistente a altas temperaturas. El término “unión por adherencia de materiales resistente a altas temperaturas” designa un tipo de unión mediante la cual dos o más piezas metálicas están unidas entre sí por adherencia de materiales y la unión es resistente a una temperatura de 500 0C a 1.500 0C, en particular de 600 0C a 1.200 °C o de 800 °C a 1. 000 qC, es decir, que no se disuelve a esas temperaturas durante el funcionamiento regular. Una unión por adherencia de materiales resistente a altas temperaturas puede configurarse en particular como una unión de metal con metal, que se realiza de tal manera que no queda ningún material no metálico entre las partes unidas. Dicha unión puede realizarse, en particular, mediante soldadura, fundición sobre o sobremoldeo. También puede ser una unión en la que no se detecta ninguna diferencia estructural en la transición de las partes unidas y, en particular, una unión en la que no se utilice ningún metal adicional para la unión.
Las primeras secciones y las segundas secciones de las disposiciones de alimentación de corriente están formadas, por ejemplo, en contraste con alambres trenzados o similares, en particular de una sola pieza y rígidas (es decir, en
particular no en forma de alambres paralelos o entrelazados). En particular, se trata de estructuras macizas, pero se entiende que la sección que rodea en cada caso a la otra sección al menos parcialmente en forma de manguito está diseñada en particular como barra hueca o tubular.
Las secciones primera y segunda presentan en particular una extensión longitudinal a lo largo del mencionado eje longitudinal y perpendicularmente a la pared del recipiente de reactor que es al menos dos veces mayor, en particular al menos tres, cuatro o cinco veces y, por ejemplo, hasta diez veces mayor que la extensión transversal mayor paralela a la pared del recipiente de reactor. La sección que está rodeada en cada caso al menos parcialmente por la otra sección puede ser redonda, ovalada, triangular o poligonal en sección transversal, por ejemplo, o presentar cualquier otra forma. La sección de las disposiciones de alimentación que rodea en cada caso al menos parcialmente la otra sección presenta una forma interna que se corresponde con una forma negativa de la sección que está rodeada al menos parcialmente por ella.
Según la invención, la introducción de corriente se realiza así en los tubos de reacción o en sus tramos de tubo que se han de calentar a través de las disposiciones de alimentación de corriente, que están montadas en el tubo de reacción que conduce el proceso, por ejemplo, en dirección perpendicular al flujo local de gas de proceso y se extienden en esta dirección a lo largo del eje longitudinal mencionado, es decir, en particular en el vértice de una curva de inversión o perpendicularmente al curso del tubo en el caso de tubos de reacción no curvados. En este último caso, el eje longitudinal mencionado también puede ser paralelo al curso del tubo.
En particular, puede haber a este respecto una sección transversal conductora específica libre y globalmente decreciente formada por las secciones primera y segunda desde el exterior hacia la zona de reacción. Esto se refiere tanto a la zona en la que la primera sección rodea al menos parcialmente a la segunda sección o la segunda sección rodea al menos parcialmente a la primera sección, como a una zona de transición hacia el tubo de reacción en la que preferiblemente se prevé un mayor grosor de pared en comparación con el tubo de reacción alejado de la alimentación.
La sección transversal conductora específica libre a (unidad: m/Q) se define como sigue para cualquier área de sección transversal S que presente un contenido de área A1 (unidad: metro cuadrado) en una primera sección con una resistencia eléctrica específica media p1 (unidad: Qxm) y un contenido de área A2 en una segunda sección con una resistencia eléctrica específica media p2:
a = A1/p1 A2/p2
Un diseño particularmente ventajoso de la presente invención comprende que para dos áreas de sección transversal cualesquiera S1, S2, que representan isosuperficies, a través de las disposiciones de alimentación de corriente (en donde tales áreas de sección transversal pueden discurrir a través solo de la primera sección, solo de la segunda sección, o a través de la zona en la que la primera sección o la segunda sección rodea la primera sección al menos parcialmente), a lo largo de las cuales el valor medio cuadrático temporal (valor eficaz) del potencial eléctrico Vrms,i es constante en cada caso, y que están dispuestas a diferentes distancias de la fuente de tensión alterna, es decir, en particular un transformador, el potencial medio cuadrático temporal Vrms,1 del área de sección transversal S1 situada más cerca del transformador es siempre mayor que el potencial medio cuadrático temporal Vrms,2 del área de sección transversal S2 situada más lejos del transformador, de tal modo que se cumple Vrms,1 > Vrms,2. Los términos “ más cerca” y “ más lejos” se refieren a este respecto a distancias de flujo más cortas y más largas de la corriente eléctrica desde la fuente de corriente hasta la respectiva área de sección transversal. El uso de valores eficaces para los potenciales se refiere al funcionamiento del reactor con corriente alterna. En el caso de funcionamiento con corriente continua, las relaciones descritas se aplican a valores del potencial eléctrico promediados aritméticamente.
Toda la alimentación de corriente (es decir, las disposiciones de alimentación de corriente en su conjunto) está realizada además ventajosamente de tal manera que para las dos áreas de sección transversal cualesquiera expuestas S1 y S2 a diferentes distancias de la fuente de corriente y con Vrms,1 > Vrms,2, el cociente a2/a1 de la sección transversal conductora específica libre a2 del área de sección transversal S2 situada más lejos de la fuente de corriente y del área de sección transversal conductora específica libre a1 del área de sección transversal S1 situada más cerca de la fuente de corriente es de hasta 0,5, en particular hasta 0,9, hasta 1, hasta 1,1 o hasta 2. En una forma de realización particularmente preferida, el cociente a2/a1 de las secciones transversales conductoras específicas libres de cualesquiera tales parejas de superficies es de hasta 1.
Pueden producirse desviaciones de esta realización preferida, por ejemplo, por razones de fabricación, de modo que pueden aceptarse localmente también pequeños aumentos de la sección transversal. Sin embargo, para dos áreas de sección transversal S1* y S2* con valores extremos globales de sus respectivas secciones transversales conductoras específicas libres a1* = amáx y a2* = amín, ventajosamente siempre se cumple la relación Vrms,1* > Vrms,2*, es decir, que el área con la sección transversal conductora específica libre más alta está más cerca de la fuente de corriente que el área con la sección transversal conductora específica libre más pequeña.
De este modo, puede garantizarse un aumento óptimo y continuo de la temperatura del material, en donde preferiblemente el máximo solo se alcanza en la zona de reacción. Como especificación con respecto a la distribución de temperatura puede establecerse, de forma análoga a las distribuciones de sección transversal
conductora específica libre, según un diseño especialmente ventajoso de la presente invención, que, para las dos áreas de sección transversal cualesquiera mencionadas S1 y S2 a diferentes distancias de la fuente de corriente y con Vrms,1 > Vrms,2, la diferencia de temperatura T1-T2 de la temperatura T1 del área de sección transversal Si situada más cerca de la fuente de corriente y la temperatura T2 del área de sección transversal S2 situada más lejos de la fuente de corriente es de hasta -100 K, en particular de hasta -10 K, hasta -1 K, hasta 0 K, hasta 1 K, hasta 10 K o hasta 100 K. En una realización particularmente preferida, la diferencia de temperatura T1-T2 de todas las parejas de superficies de este tipo es inferior a 0 K.
Esta especificación incluye, entre otras cosas, la condición de que en toda la zona de alimentación de corriente se produzca un aumento máximo de la temperatura local de -100 K, - 10 K, -1 K, 0 K, 1 K, 10 K o 100 K en comparación con la temperatura máxima del material que se produce en el tramo de tubo adyacente.
La diferencia de temperatura T1*-T2* de las temperaturas T1* y T2* de las áreas de sección transversal S1* y S2* con los valores extremos globales de las secciones transversales conductoras específicas libres a1 *=amáx y a2*=amín en las disposiciones de alimentación de corriente es además ventajosamente de hasta -500 K, hasta - 200 K, hasta -100 K, hasta 0 K o hasta 100 K, es decir, que la superficie con la mayor sección transversal según este diseño de la invención está más cerca del transformador y es preferiblemente más fría o como máximo ligeramente más caliente que la superficie con la sección transversal más pequeña.
En un diseño de la presente invención, la sección transversal conductora específica libre en las disposiciones de alimentación de corriente disminuye ventajosamente de forma predominantemente continua o monótona desde la dirección de la alimentación de corriente hacia los tubos de reacción. Dado que, con esta combinación de materiales prevista en el diseño, la resistencia eléctrica específica de la longitud depende solo de la superficie conductora específica libre disponible, la cantidad específica de energía liberada específicamente también aumenta de forma constante de este modo. De este modo se consigue el mayor aprovechamiento posible de la energía suministrada, ya que en los tubos de reacción únicamente puede utilizarse eficazmente la cantidad de calor absorbida por el gas de proceso.
Según un diseño especialmente ventajoso de la presente invención, el curso exacto de la sección transversal conductora específica libre de las disposiciones de alimentación de corriente se adapta además a las condiciones locales de temperatura y transferencia de calor. Por ejemplo, en la zona de los pasos de pared cuasi adiabáticos a través de la pared del recipiente de reactor (en los que no es posible una radiación térmica significativa a través de la pared aislante del reactor), se utilizan preferiblemente grandes secciones transversales conductoras específicas libres, que reducen al mínimo la disipación local de calor en estas zonas, de modo que el aumento local de la temperatura puede limitarse hacia arriba. En otras palabras, las disposiciones de alimentación de corriente presentan ventajosamente una mayor sección transversal conductora específica libre en la zona del paso de pared que en al menos otra zona más.
Como también se explica más adelante, para evitar resistencias de contacto, al menos la primera sección de la sección de alimentación de corriente y una zona en contacto con los tramos de tubo se fabrican de forma particularmente preferida de un componente de una sola pieza, por ejemplo, en forma de pieza de colada en lingotera. En el caso de una construcción de varias piezas, que también es posible como alternativa, se utilizan ventajosamente procedimientos de unión adecuados (por ejemplo, soldadura por fricción) para garantizar que las especificaciones expuestas con respecto a la sección transversal conductora específica libre y al aumento máximo de la temperatura local también se cumplan en la zona de la unión.
De manera particularmente ventajosa, las disposiciones de alimentación de corriente presentan en cada caso una sección transversal conductora específica libre que, entre el respectivo paso de pared de las secciones de alimentación de corriente y una zona en la que los tramos de tubo están en contacto eléctrico, no es en ningún punto inferior a 500 m/D, ventajosamente en ningún punto inferior a 1500 m/D y en particular en ningún punto inferior a 2500 m/D. Mediante el uso de secciones transversales conductoras específicas libres correspondientemente grandes, se puede garantizar una transferencia de corriente especialmente buena sin pérdidas por resistencia.
Alternativamente al diseño de la superficie conductora específica libre tal y como se acaba de explicar -o al menos parcialmente con la misma relevancia-, también se puede prever en el marco de la presente invención un correspondiente diseño basado en la resistencia eléctrica específica de la longitud, en donde esta aumenta de forma constante, en particular de forma continua, procedente del transformador hacia la zona de reacción. La resistencia eléctrica específica de la longitud R/L (unidad: D/m) se determina a partir de la resistencia eléctrica R, la unidad de longitud L, la resistencia eléctrica específica p y el área de sección transversal conductora libre A con
R = L x p/A, de tal modo que R/L = p/A
Este enfoque abarca tanto una geometría cambiante (por ejemplo, un diámetro variable de las disposiciones de alimentación de corriente) como una combinación con un material diferente (dado el caso, con una resistencia eléctrica específica diferente).
Ventajosamente, las disposiciones de alimentación de corriente están guiadas en cada caso de manera longitudinalmente móvil en sus pasos de pared a través de la pared del recipiente de reactor. La libertad de movimiento
así garantizada es especialmente ventajosa para el comportamiento mecánico de los tubos de reacción, dominado sobre todo por la dilatación térmica de los tubos en varios decímetros durante el funcionamiento del reactor. La libertad de movimiento reduce la carga de flexión sobre los tubos de reacción que se produciría con una fijación rígida. Por otra parte, los tubos de reacción pueden estar provistos de un puente de estrella rígido, como también se menciona más adelante, de modo que de esta manera se proporciona una suspensión estable incluso con una movilidad longitudinal correspondiente de las disposiciones de alimentación de corriente. Gracias a su ventajoso dimensionamiento con una sección transversal total suficientemente grande, las disposiciones de alimentación de corriente garantizan un guiado lateral seguro de los tubos de reacción.
Dado que las reacciones llevadas a cabo en el reactor según la invención requieren altas temperaturas, la conexión eléctrica en la zona de alimentación de corriente debe implementarse en un rango de alta temperatura de, por ejemplo, unos 900 0C para el craqueo con vapor. Esto es posible gracias a las medidas propuestas según la invención mediante la elección de materiales adecuados y su dimensionamiento suficiente. La conexión debe presentar simultáneamente una alta conductividad eléctrica y una gran estabilidad mecánica y fiabilidad a altas temperaturas. El fallo de la conexión eléctrica provoca potenciales asimétricos en el centro de estrella y, posteriormente, la desconexión inmediata de la instalación por motivos de seguridad debido al paso no deseado de la corriente por piezas de la instalación. Al evitarse estas situaciones, la presente invención presenta ventajas con respecto al estado de la técnica.
El contacto de los tramos de tubo dentro del recipiente de reactor previsto según la invención, en comparación con un contacto fuera del recipiente de reactor, que también es teóricamente posible y para el cual los tubos de reacción tendrían que ser conducidos fuera del recipiente de reactor, tiene la ventaja de una ruta más claramente definida de la entrada de calor eléctrico, porque en este sentido no hay secciones de tubo calentadas eléctricamente que tengan que ser guiadas desde el espacio interior más caliente al espacio exterior más frío. El contacto según la invención permite conseguir unas condiciones marginales térmicas externas espacialmente muy homogéneas de los tramos de tubo calentados eléctricamente gracias a que los tramos de tubo están dispuestos completamente dentro del recipiente de reactor. Esto conlleva ventajas relacionadas con el proceso, por ejemplo, la formación local excesiva de coque, que es de esperar, puede evitarse en los pasos calentados que están aislados térmicamente hacia el exterior.
Fuera del recipiente de reactor o en una cámara de conexión dispuesta fuera del verdadero recipiente de reactor, en particular una cámara de conexión refrigerada, las disposiciones de alimentación de corriente pueden conectarse, por ejemplo, eléctricamente a un sistema de transformador mediante elementos de conexión como barras colectoras y regletas de conexión. Las regletas de conexión y las barras colectoras pueden ser a este respecto de un material diferente al de la primera o la segunda sección de las disposiciones de alimentación de corriente. Dado que las temperaturas fuera del recipiente de reactor son más bajas, estos elementos de conexión pueden configurarse especialmente flexibles. Los dispositivos de conmutación pueden instalarse, en particular, en el lado primario del sistema transformador, ya que en él hay una tensión más alta y una corriente más baja.
En el marco de la presente invención, las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente y los tramos de tubo pueden estar formados del mismo material o de materiales cuyas conductividades eléctricas (en el sentido de una constante de material, como es común en la técnica) difieran entre sí en no más del 50 %, no más del 30 %, no más del 10 %, o ventajosamente sean iguales. Por ejemplo, los componentes mencionados también pueden fabricarse con aceros de la misma clase de acero. El uso de materiales iguales o muy afines puede facilitar la fundición o la soldadura.
Por otra parte, la utilización de la presente invención permite elegir otros materiales para las segundas secciones que, por ejemplo, garanticen un mecanizado más sencillo y que, por ejemplo, puedan unirse de manera más sencilla a los elementos de expansión para la alimentación de corriente. El criterio decisivo para la selección del material de la segunda sección es una baja resistencia eléctrica específica, con la mayor compatibilidad térmica posible. Generalmente, se puede utilizar un material consistente en un único metal del grupo formado por molibdeno (Mo), wolframio (Wo), tántalo (Ta), niobio (Nb), níquel (Ni) y cromo (Cr) o una aleación metálica que presente al menos un 50 % en masa de al menos un material del grupo compuesto por Mo, Wo, Ta, Nb y Cr. También pueden incluirse componentes como circonio (Zr), carbono (C) en forma de carburos y/o tierras raras como hafnio (Hf), lantano (La).
Puede obtenerse de los correspondientes fabricantes una relación de los materiales disponibles en el mercado de composición adecuada para su posible uso en la segunda sección. A continuación se ofrece, sin que deba suponerse completa, una selección de los materiales correspondientes.
Los materiales sobre la base de molibdeno pueden ser, por ejemplo, molibdeno puro o esencialmente puro o aleaciones conocidas con las denominaciones de material TzM, MHC, mL, MLR, MLS, MolLQ, MY, MoRe5, MoRe41, MW20, MW30, MW50, MoCu30, MoCu15, MZ17, MoNb10 o MT11. Los materiales sobre la base de wolframio incluyen, por ejemplo, wolframio puro o esencialmente puro y aleaciones conocidas con las denominaciones de material WK65, WVM, WVMW, S-WVMW, WC, WL, WL-S, WlZ, WRe, WCu y aleaciones de metales pesados de wolframio de alta densidad. Como materiales de tántalo pueden utilizarse, por ejemplo, tántalo puro o esencialmente puro en calidad sinterizada o fundida, en particular los materiales conocidos como TaS, TaK, TaKS, Ta2,5W o Ta10W. Además de cromo puro o esencialmente puro, también puede utilizarse, por ejemplo, la aleación CFY.
En una forma de realización preferida, las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente y los tramos de tubo presentan en cada caso una aleación de acero al cromo-níquel resistente al calor con alta resistencia a la oxidación o a la combustión y alta resistencia a la carburación, o están compuestos por esta.
Por ejemplo, puede tratarse de un material ferroso que contenga de 0,1 a 0,5 % en peso de carbono, de 20 a 50 % en peso de cromo, de 20 a 80 % en peso de níquel, de 0 a 2 % en peso de niobio, de 0 a 3 % en peso de silicio, de 0 a 5 % en peso de wolframio y de 0 a 1 % en peso de otros componentes, complementándose los contenidos en cada caso con la proporción no ferrosa.
Por ejemplo, pueden utilizarse materiales con los nombres estandarizados GX40CrNiSi25-20, GX40NiCrSiNb35-25, GX45NiCrSiNbTi35-25, GX35CrNiSiNb24-24, GX45NiCrSi35-25, GX43NiCrWSi35-25-4, GX10NiCrNb32-20, GX50CrNiSi30-30, G-NiCr28W, G-NiCrCoW, GX45NiCrSiNb45-35, GX13NiCrNb45-35, GX13NiCrNb37-25, o GX55NiCrWZr33-30-04 según la norma DIN EN 10027, parte 1, “ Materiales” . Estos materiales han demostrado ser especialmente adecuados para su uso a altas temperaturas.
En todos los casos anteriormente expuestos, las primeras secciones de las disposiciones de alimentación de corriente y los tramos de tubo pueden estar formados del mismo material o de materiales cuyas conductividades eléctricas (en el sentido de una constante de material, como es común en la técnica) difieran entre sí en no más del 50 %, no más del 30 %, no más del 10 %, o ventajosamente sean iguales. Por ejemplo, el elemento de unión y los tramos de tubo también pueden estar formados con aceros de la misma clase de acero. El uso de materiales iguales o muy afines puede facilitar a este respecto la configuración de una sola pieza de las primeras secciones y los tramos de tubo, por ejemplo, mediante fundición o soldadura.
Como se ha mencionado, todos los tramos de tubo dentro del recipiente de reactor pueden estar conectados eléctricamente entre sí de forma conductora mediante un elemento de conexión rígido (“ puente en estrella” ) cuando se calientan mediante corriente alterna multifásica, o esta conexión puede realizarse en grupos mediante varios elementos de conexión rígidos.
Mediante una correspondiente realización de un circuito en estrella en combinación con la alimentación de corriente explicada a través de disposiciones de alimentación de corriente guiadas longitudinalmente, se crea en conjunto una construcción que permite una alimentación de corriente eficaz con una fijación estable simultánea que soporta las tensiones resultantes sobre todo de los altos índices de dilatación térmica.
Esto también se cumple para el calentamiento mediante corriente continua o corriente alterna monofásica, que también es posible según la invención, en donde, como se ha mencionado, no hay centro de estrella en el reactor. No obstante, también puede preverse en este caso una disposición rígida en el extremo opuesto a la alimentación de corriente, ya que los tubos de reacción pueden expandirse esencialmente con libertad sin que se generen tensiones gracias a las disposiciones de alimentación de corriente previstas según la invención. Por lo tanto, se puede prever una disposición rígida en el extremo de los tubos de reacción opuesto a la alimentación de corriente, pero en este caso también se pueden prever, dado el caso, elementos correspondientes a las disposiciones de alimentación de corriente según la invención. En cualquier caso, se puede prescindir de una disposición móvil.
La presente invención se describe a continuación en primer lugar en relación con los tubos de reacción y los reactores como se utilizan para el craqueo con vapor. Sin embargo, como se expondrá posteriormente, la invención también puede utilizarse en otros tipos de reactores, como se explica a continuación. En general, como ya se ha mencionado, el reactor propuesto según la invención puede utilizarse para llevar a cabo todas las reacciones químicas endotérmicas.
Los tubos de reacción, como los que se suelen utilizar para el craqueo con vapor, presentan generalmente al menos una curva de inversión. De este modo, un reactor utilizado según la invención puede estar configurado en particular como reactor para el craqueo con vapor, concretamente, en particular mediante la elección de los correspondientes materiales resistentes a la temperatura y el diseño geométrico de los tubos de reacción.
Por ejemplo, los tubos de reacción utilizados en este contexto pueden ser los denominados serpentines de 2 pasos. Estos presentan dos tramos de tubo en el recipiente de reactor que se prolongan uno en otro a través de (exactamente) una curva de inversión y, por lo tanto, presentan básicamente forma de U (alargada). En tales disposiciones, las secciones que entran en el recipiente de reactor y salen de este se prolongan en los tramos de tubo calentados, en particular sin fisuras o sin ninguna transición técnicamente relevante para el flujo.
En este diseño, el reactor puede estar configurado de tal manera que los tramos de tubo comprendan en cada caso dos tramos de tubo de varios tubos de reacción que estén dispuestos al menos parcialmente de manera adyacente en el recipiente de reactor, en donde los en cada caso dos tramos de tubo de los varios tubos de reacción en cada caso se prolonguen unos en otros en la zona de alimentación de corriente en cada caso a través de una curva de inversión.
En este caso, las disposiciones de alimentación de corriente pueden conectarse a las curvas de inversión. Dado que hay varios tubos de reacción con curvas de inversión, con un correspondiente número, también se pueden prever en cada caso varias curvas de inversión en las respectivas disposiciones de alimentación de corriente y se pueden conectar a
una conexión de corriente de esta manera. De este modo, se puede mejorar la fijación mecánica y reducir el número de componentes. Alternativamente, sin embargo, también es posible prever en cada caso una disposición de alimentación de corriente por cada curva de inversión y, concretamente, también cuando varias curvas de inversión se alimentan con corriente a través de una conexión de corriente, por ejemplo, para garantizar la movilidad longitudinal individual de las disposiciones de alimentación de corriente en el caso de una dilatación térmica diferente de los tramos de tubo.
El diseño de la invención que se acaba de explicar también se puede transferir a casos en los que se utilizan tubos de reacción ramificados, es decir, en los que el fluido alimentado se distribuye desde una sección de tubo a dos o más secciones de tubo, o en los que el fluido de dos o más secciones de tubo se reúne en una sección de tubo. También en este caso, dos tramos de tubo en cada caso de varios tubos de reacción que están dispuestos al menos en parte adyacentemente en el recipiente de reactor se pueden alimentar con corriente de la manera descrita anteriormente mediante una disposición de alimentación de corriente según la invención.
Además del diseño descrito anteriormente con referencia al serpentín de 2 pasos, también se puede utilizar un diseño que sea adecuado para su uso con serpentines de 4 pasos. Estos presentan cuatro tramos de tubo esencialmente rectos. Sin embargo, también son posibles disposiciones con un número mayor de tramos rectos de tubo. Sin embargo, también en este caso, dos tramos de tubo en cada caso de varios tubos de reacción que están dispuestos al menos en parte adyacentemente en el recipiente de reactor, se alimentan con corriente de la manera descrita anteriormente mediante una disposición de alimentación de corriente según la invención.
Por “curva de inversión” se entiende en este caso, en particular, una sección de tubo o un componente de tubo que comprende una curva de tubo parcialmente circular o parcialmente elíptica, en particular semicircular o semielíptica. El principio y el final presentan superficies de corte adyacentes entre sí, especialmente en un plano.
Cada una de las curvas de inversión, siempre que esté situada en la zona de alimentación de corriente dentro del recipiente de reactor y vaya a ser alimentada con corriente correspondientemente, puede estar configurada en forma de un pasaje en la primera sección de una disposición de alimentación de corriente según la invención o constituir una parte de este.
Los tubos de reacción, como los que se suelen utilizar para el reformado con vapor, habitualmente no presentan curvas de inversión dentro del recipiente de reactor. En este caso, sin embargo, los tramos de tubo comprenden en cada caso un tramo de tubo de varios tubos de reacción, en donde los tramos de tubo están desconectados fluídicamente dentro del recipiente de reactor y están dispuestos, al menos parcialmente, de manera adyacente entre sí. En particular, los tubos de reacción también pueden estar diseñados para el reformado con vapor, en particular con un catalizador adecuado.
En este diseño, los pasajes de contacto en una disposición de alimentación de corriente según la invención son secciones de tubo rectas o canales. Las disposiciones de alimentación de corriente pueden presentar una zona que esté unida a modo de manguitos a los tubos de reacción o configurada con ellos de una sola pieza.
En todos los casos, el número de uniones de metal con metal (por ejemplo, uniones soldadas) puede reducirse o incluso suprimirse por completo formando las disposiciones de alimentación de corriente y, opcionalmente, también los tramos de tubo a partir del menor número posible de piezas individuales. Esto puede aumentar la estabilidad mecánica y la fiabilidad. En una realización particularmente ventajosa, las disposiciones de alimentación de corriente y los tramos de tubo pueden implementarse en cada caso como una única pieza de fundición o, como se ha mencionado, partes de los tubos de conducción del proceso pueden sobremoldearse y/o partes de los tubos de conducción del proceso pueden formarse como partes integrales de una correspondiente pieza de fundición.
Las uniones de metal-metal o las transiciones metálicas, que pueden reducirse en el marco de la presente invención, podrían dar lugar a un cambio local de la resistencia eléctrica y, por tanto, a puntos calientes. A su vez, los puntos calientes provocan una reducción de la vida útil debido al aumento de las temperaturas locales o picos de tensión mecánica debidos a los elevados gradientes de temperatura locales. Esto se evita en el marco de la presente invención.
La configuración de una sola pieza del mayor número posible de componentes aporta estabilidad mecánica, fiabilidad y una reducción del número de componentes individuales. Es deseable un alto nivel de estabilidad mecánica, ya que un fallo puede provocar situaciones críticas para la seguridad, como ya se ha mencionado anteriormente. Mediante la realización descrita en el sentido de la presente invención, el principio de tubos de reacción calentados por resistencia con corriente alterna multifásica puede realizarse técnicamente en el rango de altas temperaturas, es decir, en particular a más de 500 0C, más de 600 0C, más de 700 0C o más de 800 0C.
Con respecto al procedimiento propuesto según la invención, en el que se utiliza un reactor como el que se ha explicado anteriormente en diversos diseños, se hace referencia expresa a la correspondiente reivindicación independiente de patente.
La invención se explica a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, que ilustran diseños de la presente invención con referencia y en comparación al estado de la técnica.
Descripción de las figuras
La Figura 1 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según un diseño no conforme a la invención.
La Figura 2 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según un diseño de la invención. La Figura 3 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según otro diseño de la invención. La Figura 4 ilustra esquemáticamente un reactor con una disposición de alimentación de corriente según un diseño de la invención.
La Figura 5 ilustra una zona de alimentación de corriente de un reactor según un diseño de la invención.
Las Figuras 6A y 6B ilustran tubos de reacción y correspondientes disposiciones para su uso en un reactor según un diseño de la invención.
Las Figuras 7A a 7C ilustran disposiciones de tubos para su uso en un reactor según un diseño de la invención. Las Figuras 8A y 8B ilustran disposiciones de tubos para su uso en un reactor según un diseño de la invención. Las Figuras 9A a 9C ilustran otras disposiciones de tubos para su uso en un reactor según un diseño de la invención. En las figuras, los elementos estructural y/o funcionalmente equivalentes se ilustran con las mismas referencias y no se explicarán reiteradamente en aras de una mayor claridad. Si, a continuación, se explican los componentes de dispositivos, las correspondientes explicaciones también se aplican a los procedimientos realizados con ellos y viceversa. La descripción de las figuras se refiere repetidamente al calentamiento con corriente alterna. Sin embargo, como ya se ha mencionado, la presente invención es igualmente adecuada para el uso de corriente continua para el calentamiento. A este respecto, se remite a las explicaciones anteriores.
La Figura 1 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según un diseño no conforme a la invención.
El reactor, referenciado en este caso con el número 300, está concebido para llevar a cabo una reacción química. Para ello, presenta un recipiente 10 de reactor, en particular aislado térmicamente, y un tubo 20 de reacción, en donde un número de tramos de tubo del tubo 20 de reacción, en este caso indicados con el número de referencia 21 solo en dos casos, discurre en cada caso entre una primera zona 11' y una segunda zona 12' del recipiente 10 de reactor. El tubo 20 de reacción, que se explica más detalladamente a continuación con referencia a la figura 2, se fija a una cubierta del recipiente de reactor o a una estructura de soporte mediante suspensiones 13 adecuadas. En una zona inferior, el recipiente de reactor puede presentar, en particular, una unidad de combustión que no se ilustra. Se sobreentiende que en este caso y a continuación pueden disponerse varios tubos de reacción.
La figura 2 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según un diseño de la presente invención, con la referencia general 100.
Las zonas anteriormente referenciadas como 11' y 12' se muestran en este caso como zonas 11 y 12, en donde los tramos 21 de tubo para calentar los tramos 21 de tubo en las zonas 11 de alimentación de corriente pueden conectarse en cada caso eléctricamente con las conexiones de fase U, V, W de una fuente 50 de corriente alterna multifásica. Interruptores y similares, así como el tipo específico de conexión, no se ilustran.
En el diseño de la invención ilustrado en este caso, los tramos 21 de tubo están conectados entre sí de manera eléctricamente conductora en las zonas 12 por medio de un elemento 30 de conexión que está unido de una sola pieza a uno o más tubos 20 de reacción y está dispuesto dentro del recipiente 10 de reactor. También se le puede conectar un conductor neutro.
Así, en el reactor 100 ilustrado en este caso, varios tramos 21 de tubo de un tubo 20 de reacción (aunque puede proporcionarse varios tubos 20 de reacción) están dispuestos adyacentemente entre sí en el recipiente 10 de reactor. Dos tramos 21 de tubo se prolongan uno en otro en cada caso mediante curvas 23 de inversión (indicadas solo parcialmente) y están conectados a una sección 24 de alimentación y a una sección 25 de toma para un fluido de trabajo.
Un primer grupo de curvas 23 de inversión (en el dibujo, abajo) están dispuestas adyacentemente entre sí en la zona 11 y un segundo grupo de curvas 23 de inversión (en el dibujo, arriba) están dispuestas adyacentemente entre sí en la zona 12. Las curvas 23 de inversión del segundo grupo se forman en el elemento 30 de conexión y los tramos 21 de tubo se extienden desde el elemento 30 de conexión en la zona 12 hasta la zona 11. Esta disposición específica no es forzosa.
El uso del elemento 30 de conexión es opcional, aunque ventajoso, en el marco de la presente invención. Por otra parte, los diseños de la invención, que se explican a continuación, se refieren, por el contrario, en particular al diseño de los agentes para la alimentación de corriente en la zona 11, entendida, por tanto, como zona de alimentación de corriente. Esta se lleva a cabo mediante disposiciones 40 de alimentación de corriente, que, en este caso, se ilustran de forma muy simplificada y de las cuales solo se referencia una.
La figura 3 ilustra esquemáticamente un reactor para llevar a cabo una reacción química según un diseño de la presente invención, con la referencia general 200.
En el reactor 200, los tramos de tubo, designados en este caso de forma diferente como 22, comprenden en cada caso un tramo 22 de tubo de varios tubos 20 de reacción, en donde los tramos de tubo están desconectados fluídicamente 22 y dispuestos adyacentemente entre sí en el recipiente 10 de reactor, así como conectados en cada caso a secciones 24 de alimentación y secciones 25 de toma para el fluido de trabajo. Para los demás elementos, se remite expresamente a las explicaciones relativas a las figuras anteriores.
Nuevamente, el uso de un elemento 30 de conexión es opcional, aunque ventajoso, en el marco de la presente invención. También en este caso, las disposiciones 40 de alimentación de corriente se ilustran de forma muy simplificada. Estas pueden presentar una zona 49 similar a un manguito que se coloca alrededor de los tubos 20 de reacción o de los tramos de tubo en la zona 11.
La figura 4 muestra una vista de fragmento de la zona 11 de un reactor 100, por ejemplo, como se muestra en la figura 2, con una disposición 40 de alimentación de corriente dispuesta en la zona 11 y un tubo 20 de reacción conectado a la misma cuyos tramos 21 de tubo, ilustrados en este caso por secciones, se unen en este caso entre sí a través de una curva 23 de inversión.
La curva 23 de inversión se forma en este caso con una pared reforzada que une los dos tramos 21 de tubo en la zona 11. Una pared de la curva 23 de inversión, a este respecto, está conectada o formada de una sola pieza con una primera sección 41 de una disposición 40 de alimentación de corriente ya ilustrada esquemáticamente anteriormente.
Las disposiciones 40 de alimentación de corriente presentan en cada caso una primera sección 41 y una segunda sección 42, en donde la primera sección 41 se extiende en este caso a lo largo de un eje longitudinal A a partir de los dos tramos 21 de tubo o de la curva 23 de inversión. La primera sección 41 rodea a la segunda sección 42 en forma de manguito en cada caso en una zona de las disposiciones 40 de alimentación de corriente, y la primera sección 41 y la segunda sección 42 presentan superficies 41a, 42a de contacto dispuestas oblicuamente con respecto al eje longitudinal A para entrar en contacto entre sí.
Las superficies 41a, 42a de contacto configuradas cónicamente de la primera sección 41 y la segunda sección 42 de las disposiciones 40 de alimentación de corriente están formadas en cada caso como superficies interiores y exteriores cónicas que pueden ponerse en contacto entre sí mediante inserción o agrupación de la primera sección 41 y la segunda sección 42 de las disposiciones 40 de alimentación de corriente. Más concretamente, en el ejemplo mostrado, las superficies 41a, 42a de contacto cónicas están formadas como superficies interior y exterior de una envoltura cónica con un ángulo de cono de 60°.
Las disposiciones 40 de alimentación de corriente se extienden en cada caso en un paso 15 de pared a través de una pared 14 del recipiente 10 de reactor y se alojan en este caso de manera longitudinalmente móvil. El paso 15 de pared se muestra en este caso exageradamente ancho y está revestido, por ejemplo, con un material aislante que se muestra sombreado.
Opcionalmente, pero no de manera esencial para la presente invención, puede proporcionarse una disposición de fuelle no ilustrada en el exterior de la pared 14 del recipiente 10 de reactor para garantizar un cierre hermético al gas del recipiente 10 de reactor frente al entorno a pesar de la movilidad longitudinal de las disposiciones 40 de alimentación de corriente en forma de varilla.
En un extremo 42b de la segunda sección 42 pueden fijarse barras colectoras o cables trenzados para conectar las fases U,V,W ilustradas anteriormente o las correspondientes conexiones de corriente de una fuente de corriente continua o una fuente de corriente alterna monofásica.
La figura 5 muestra una vista de fragmento de la zona 11 de alimentación de corriente de un reactor 200, en donde los elementos mostrados en cada caso ya se han explicado en relación con la figura 4. Sin embargo, a diferencia de la figura 4, el tubo 20 de reacción no presenta en este caso curvas de inversión y los tramos 21 de tubo están dispuestos a lo largo de un eje central M común. Una zona de transición sin curvas está marcada con la referencia 23a. Un correspondiente diseño en lugar de un manguito puede utilizarse, por ejemplo, en el reactor 200 según la figura 3. La zona 23a de transición también está formada en este caso por una pared reforzada a la que está unida la primera sección 41 de la disposición 11 de alimentación de corriente. Para más explicaciones, se remite a la figura 4.
Las figuras 6A y 6B muestran una sección longitudinal de una disposición 40 de alimentación de corriente según un diseño de la invención a lo largo de dos superficies de corte perpendiculares entre sí.
Como puede observarse en la figura 6A, está previsto un elemento 44 de pretensado deformable elásticamente en forma de resorte, que presiona la segunda sección 42 de las disposiciones 40 de alimentación de corriente a lo largo del eje longitudinal A en la dirección de la primera sección 41 y está montado en una carcasa 44a. Además, la segunda sección 42 de las disposiciones 40 de alimentación de corriente está provista de elementos 45 de ensanchamiento de la superficie en forma de nervaduras de refrigeración.
En los hornos de craqueo, además de los tubos 20 de reacción mostrados anteriormente en las figuras 1 y 2, que suelen denominarse serpentines de 6 pasos y que presentan seis tramos rectos 21 de tubo con, en total, cinco codos de 180°, también pueden utilizarse variantes con menos pasajes.
Por ejemplo, los serpentines de 2 pasos presentan solo dos tramos rectos 21 de tubo y solo un codo de 180° o curva 23 de inversión. Esto se ilustra en las figuras 7A a 7C. La alimentación de corriente puede tener lugar en cada caso en un punto por tubo 21 de reacción en la curva de inversión inferior (o única). Las disposiciones de alimentación de corriente se indican con 40. En cada caso M tubos de reacción pueden acoplarse eléctricamente entre sí, con un desplazamiento de fase de 360°/M y con un elemento 30 de conexión común. En una primera alternativa, puede utilizarse a este respecto un elemento 30 de conexión especialmente grande para cada paquete de serpentines o para todos los tubos 20 de reacción considerados en cada caso. En una segunda alternativa, sin embargo, también es posible el uso de dos elementos 30 de conexión de menores dimensiones.
La primera alternativa que se acaba de explicar se ilustra en la figura 7B, la segunda alternativa que se acaba de explicar se ilustra en la figura 7c en una vista en sección transversal de los tramos 21 de tubo, en donde se representa un correspondiente tubo 20 de reacción en una vista perpendicular a las vistas de las figuras 7B y 7C de la figura 7A. Para la designación de los correspondientes elementos, se remite a la figura 1. Se entiende que el elemento o los elementos 30 de conexión con las curvas 23 de inversión, dado el caso, dispuestas en ese lugar, por un lado, y las otras curvas 23 de inversión, por otro lado, con las conexiones a las fases U, V, W a través de las disposiciones 40 de alimentación de corriente (mostradas en este caso de forma muy simplificada) están dispuestas en planos diferentes, correspondientes a la primera zona 11 y a la zona 12 de un reactor. Una vez más, cabe destacar que la presencia y disposición de los elementos 30 de conexión es puramente opcional o discrecional en el marco de la presente invención.
Por consiguiente, este concepto también puede aplicarse a serpentines o tubos 20 de reacción con cuatro pasajes o tramos 21 de tubo (los denominados serpentines de 4 pasos), en este caso con uno, dos o cuatro puentes en estrella o elementos 30 de conexión. Un correspondiente ejemplo se muestra en las figuras 8A y 8B, en donde en la figura 8B se representan cuatro elementos 30 de conexión. Para una mejor ilustración, las curvas 23 de inversión se muestran en este caso discontinuas (curvas de inversión en la zona 12) y no discontinuas (curvas de inversión en la zona 11). En aras de una mayor claridad, los elementos solo están marcados parcialmente con signos de referencia.
Las figuras 9A a 9C muestran otros tubos de reacción para su uso en un reactor según un diseño de la invención. Los tubos de reacción y las secciones de tubo solo están indicados parcialmente con signos de referencia. Las secciones de alimentación y toma se indican mediante las flechas de flujo mostradas. Las disposiciones 40 de alimentación de corriente, que pueden estar presentes varias veces y pueden diseñarse de la manera explicada anteriormente, se indican de manera muy simplificada con líneas discontinuas.
Claims (12)
- REIVINDICACIONESi. Reactor (100, 200) para la realización de una reacción química, que presenta un recipiente (10) de reactor y uno o varios tubos (20) de reacción, en donde un número de tramos (21,22) de tubo del uno o los varios tubos (20) de reacción discurre dentro del recipiente de reactor, y en donde los tramos (21,22) de tubo están conectados o pueden conectarse eléctricamente en una zona (11) de alimentación de corriente con una o varias conexiones de corriente para calentar eléctricamente los tramos de tubo, caracterizado por que, en la zona (11) de alimentación de corriente, están dispuestas disposiciones (40) de alimentación de corriente a las que está conectado eléctricamente en cada caso uno de los tramos (21,22) de tubo o en cada caso un grupo de los tramos (21,22) de tubo, en donde las disposiciones (40) de alimentación de corriente presentan en cada caso una primera sección (41) y una segunda sección (42), en donde la primera sección (41) se extiende desde el respectivo tramo (21,22) de tubo o el respectivo grupo de tramos (21,22) de tubo o un elemento unido a los mismos a lo largo de un eje longitudinal (A), la primera sección (41) rodea al menos parcialmente a modo de manguito la segunda sección (42) o la segunda sección (42) rodea al menos parcialmente a modo de manguito la primera sección (41), en cada caso en una zona de las disposiciones (40) de alimentación de corriente, la primera sección (41) y la segunda sección (42) presentan superficies (41a, 42a) de contacto dispuestas oblicuamente con respecto al eje longitudinal (A) para entrar en contacto entre sí, y las disposiciones (40) de alimentación de corriente se extienden en cada caso a través de una pared (14) del recipiente (10) de reactor en un paso (15) de pared.
- 2. Reactor (100, 200) según la reivindicación 1, en donde se proporciona una unión por adherencia de materiales entre las primeras secciones (41) de las disposiciones (40) de alimentación de corriente y los respectivos tramos (21,22) de tubo o los respectivos grupos de tramos (21,22) de tubo, o en donde las primeras secciones (41) de las disposiciones (40) de alimentación de corriente y los respectivos tramos (21,22) de tubo o los respectivos grupos de tramos (21,22) de tubo están configurados de una sola pieza.
- 3. Reactor (100, 200) según la reivindicación 1 o 2, en donde las superficies (41 a, 42a) de contacto configuradas cónicamente de la primera sección (41) y la segunda sección (42) de las disposiciones (40) de alimentación de corriente están formadas como superficies interiores y exteriores cónicas que pueden ponerse en contacto entre sí mediante inserción o agrupación de la primera sección (41) y la segunda sección (42) de las disposiciones (40) de alimentación de corriente.
- 4. Reactor (100, 200) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde superficies (41a, 42a) de contacto cónicas están formadas como superficies interiores y exteriores de una envoltura cónica o como superficies interiores y exteriores de la envoltura cónica de un cono truncado.
- 5. Reactor (100, 200) según la reivindicación 4, en donde las superficies de contacto cónicas incluyen un ángulo de cono de 40 a 120°.
- 6. Reactor (100, 200) según la reivindicación 4 o 5, en donde se proporciona un elemento (44) de pretensado elásticamente deformable que empuja la segunda sección (42) de las disposiciones (40) de alimentación de corriente a lo largo del eje longitudinal (A) hacia la primera sección (41).
- 7. Reactor (100, 200) según una de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las superficies (41a, 42a) de contacto están configuradas como superficies roscadas.
- 8. Reactor (100, 200) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la segunda sección (42) de las disposiciones (40) de alimentación de corriente está provista de elementos (45) de ensanchamiento de superficie o unida a estos.
- 9. Reactor (100, 200) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde las disposiciones (40) de alimentación de corriente están guiadas en cada caso de manera longitudinalmente móvil en sus respectivos pasos (15) de pared a través de la pared (14) del recipiente (10) de reactor.
- 10. Reactor (100, 200) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde las disposiciones (40) de alimentación de corriente fuera del recipiente (10) de reactor están conectadas o se pueden conectar eléctricamente con las conexiones de corriente de una fuente (50) de corriente por medio de elementos de conexión flexibles.
- 11. Reactor (100) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde uno o varios tubos (20) de reacción presentan una o varias curvas (23) de inversión en el recipiente (10) de reactor.
- 12. Reactor (200) según una de las reivindicaciones 1 a 10, en donde varios tubos (22) de reacción discurren en el recipiente (10) de reactor sin curvas (23) de inversión.Reactor (100, 200) según la reivindicación 11, que está diseñado como reactor (100) para craqueo con vapor, o según la reivindicación 12, que está diseñado como reactor (200) para reformado con vapor, para reformado en seco o para deshidrogenación catalítica de alcanos.Reactor (100, 200) según una de las reivindicaciones precedentes, en donde la segunda sección (42) está formada al menos en parte de un material seleccionado del grupo de molibdeno, wolframio, tántalo, niobio y cromo, o está formada de una aleación que presenta, en masa, al menos el 50 % de un metal del grupo molibdeno, wolframio, tántalo, niobio, níquel y cromo.Procedimiento para la realización de una reacción química en el que se utiliza un reactor (100, 200) que presenta un recipiente (10) de reactor y uno o varios tubos (20) de reacción, en donde un número de tramos (21,22) de tubo del uno o los varios tubos (20) de reacción discurre dentro del recipiente de reactor, y en donde los tramos (21,22) de tubo se conectan eléctricamente en una zona (11) de alimentación de corriente con una o varias conexiones (U, V, W) de corriente para calentar eléctricamente los tramos de tubo, caracterizado por que, se utiliza un reactor (100, 200) en donde, en la zona (11) de alimentación de corriente, están dispuestas disposiciones (40) de alimentación de corriente a las que está conectado eléctricamente en cada caso uno de los tramos (21,22) de tubo o en cada caso un grupo de los tramos (21,22) de tubo, en donde las disposiciones (40) de alimentación de corriente presentan en cada caso una primera sección (41) y una segunda sección (42), en donde la primera sección (41) se extiende desde el respectivo tramo (21,22) de tubo o el respectivo grupo de tramos (21,22) de tubo o un elemento unido a los mismos a lo largo de un eje longitudinal (A), la primera sección (41) rodea al menos parcialmente a modo de manguito la segunda sección (42) o la segunda sección (42) rodea al menos parcialmente a modo de manguito la primera sección (41), en cada caso en una zona de las disposiciones (40) de alimentación de corriente, la primera sección (41) y la segunda sección (42) presentan superficies (41a, 42a) de contacto dispuestas oblicuamente con respecto al eje longitudinal (A) para entrar en contacto entre sí, y las disposiciones (40) de alimentación de corriente se extienden en cada caso a través de una pared (14) del recipiente (10) de reactor en un paso (15) de pared.
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