ES2983157T3 - Reactor tubular de lecho fijo - Google Patents

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Abstract

La invención se refiere a un reactor tubular (1) que comprende un lecho de polvo catalítico confinado en un espacio anular (30) definido por una pared interior y una pared exterior (15), el inserto (20) comprende una cámara de distribución (40) y una cámara de recogida (50), separadas por al menos una primera pared separadora (60), la cámara de distribución (40) comprendiendo compartimentos de distribución separados entre sí por segundas paredes separadoras, cada compartimento de distribución y la cámara de recogida (50) comprendiendo, respectivamente, una abertura de entrada y una abertura de salida (51), la pared interior comprendiendo aberturas de distribución (43a, 43b, 43c, 43d y 43e) y una abertura de recogida (53), cada abertura de distribución permitiendo la distribución de un gas al espacio anular (30), y la abertura de recogida (53) permitiendo la recogida del gas distribuido en el espacio anular (30) por la cámara de recogida (50). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor tubular de lecho fijo
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de los reactores de intercambio. En particular, la presente invención se refiere al campo de los reactores de intercambio catalítico que implementan un catalizador sólido y, en particular, un catalizador sólido en forma de polvo.
En este sentido, la presente invención propone un reactor de intercambio catalítico capaz de implementar procesos exotérmicos de síntesis orgánica. Estos compuestos orgánicos pueden incluir en particular carburantes sintéticos y combustibles.
Estado de la técnica anterior
Los reactores catalíticos que utilizan catalizadores sólidos se utilizan ampliamente para la síntesis de compuestos orgánicos tales como carburantes sintéticos o combustibles entre los que se puede citar los sustitutos del gas natural, dimetiléter o incluso metanol.
Estos compuestos se obtienen en particular por reacción de hidrógeno y óxido de carbono en presencia de un catalizador sólido apropiado.
Sin embargo, las reacciones químicas relativas a la síntesis de estos compuestos son muy exotérmicas y liberan una cantidad de calor capaz de degradar el catalizador sólido. Esta degradación del catalizador sólido conduce en particular a una desactivación de este último y conduce a una reducción de la tasa de conversión de las especies químicas presentes. También se ve afectada la selectividad de las reacciones implicadas. En la práctica, estas reacciones pueden realizarse en un reactor-intercambiador del tipo de tubo y calandria que comprende un canal reactivo provisto del catalizador sólido y enfriado continuamente por un fluido caloportador. En este tipo de reactor, los gases reactivos circulan axialmente en los tubos que contienen un catalizador, por ejemplo, en forma de polvo.
Sin embargo, a pesar de la implementación de una refrigeración mediante el fluido caloportador, este tipo de reactor sigue siendo sensible al calor liberado por las reacciones que tienen lugar en dicho reactor.
En particular, un punto caliente, observado generalmente cerca de la entrada de los gases reactivos, degrada el catalizador sólido y, por tanto, reduce el rendimiento del reactor-intercambiador.
Para superar estos problemas, se propuso entonces una disposición que permitiera repartir la distribución de reactivos a lo largo de toda la longitud de los tubos. Esta solución permite entonces obtener una mejor homogeneidad de la temperatura en toda la longitud del reactor.
Al respecto, los documentos US3758279, US4374094, EP0560157, IT8021172 y US2997374 proponen reactores intercambiadores que implementan la distribución de reactivos desde un espacio de distribución anular. En particular, estos reactores-intercambiadores, de forma generalmente cilíndrica, comprenden, dispuestos coaxialmente y desde el exterior del reactor, un tubo, el espacio de distribución anular, una carga de catalizador y un espacio de recolección.
Sin embargo, esta disposición no es satisfactoria.
De hecho, la presencia del espacio de distribución anular dispuesto alrededor de la carga del catalizador limita la transferencia de calor desde el catalizador al tubo, haciendo que los sistemas de refrigeración se consideren generalmente ineficaces. Sin embargo, sigue siendo posible insertar elementos conductores de calor en el reactor. Sin embargo, una solución de este tipo sigue siendo incompatible con los reactores que comprenden tubos de pequeño diámetro.
Por el contrario, el documento CN103990420 propone implementar un inserto provisto de una cámara de distribución y de una cámara de recolección, colocados en el centro de un tubo y definiendo con este último un espacio anular que aloja el catalizador sólido.
Sin embargo, la disposición propuesta en este documento no permite distribuir los reactivos de manera homogénea dentro del espacio anular. Más particularmente, esta disposición no permite obtener un perfil de temperatura óptimo dentro del catalizador sólido.
La figura 1 del documento US 8961909 representa otro ejemplo de reactor de tipo tubo y calandria. Este reactor está provisto en particular de un tubo de inyección, sumergido en un lecho de polvo catalítico, y a lo largo del cual están previstos orificios. Estos últimos están especialmente dispuestos para garantizar la inyección del gas reactivo a diferentes niveles del lecho de polvo catalítico y limitar así la aparición de puntos calientes en dicho lecho.
Sin embargo, este reactor no es satisfactorio.
En efecto, para garantizar su refrigeración, este reactor requiere la instalación de varios circuitos de circulación de un fluido caloportador, lo que aumenta proporcionalmente su complejidad.
El documento US7402719, en particular la figura 3a, divulga otro ejemplo de un reactor dispuesto para permitir una inyección por etapas de un reactivo C con vistas a su reacción con un reactivo A. Este reactor comprende a este respecto dos capas (o canales) separados por una pared y destinados a asegurar la circulación, respectivamente del reactivo A y el reactivo C. Las dos capas también están en comunicación fluida mediante una pluralidad de orificios practicados en la pared que las separa. Estos orificios están especialmente dispuestos para garantizar una mezcla progresiva del reactivo C con el reactivo A. Esta mezcla progresiva permite así limitar la aparición de puntos calientes. Sin embargo, la disposición del reactor en forma de una pila de capas hace que este último sea poco compacto. El documento US2011/165483 describe un reactor tubular con una cámara de distribución y una cámara de recolección.
Un objetivo de la presente invención es proponer un reactor tubular de lecho fijo que permita una distribución más uniforme de los reactivos dentro del catalizador sólido.
Otro objetivo de la presente invención es también proponer un reactor tubular de lecho fijo que permita una distribución más homogénea del flujo de calor generado dentro del catalizador sólido.
Otro objetivo de la presente invención es también proponer un reactor tubular de lecho fijo que permita una mejor gestión de la refrigeración.
Otro objetivo de la presente invención es también proponer un reactor tubular de lecho fijo cuya fiabilidad y vida útil sean mejoradas en comparación con los reactores conocidos en el estado de la técnica.
Otro objetivo de la presente invención es proponer un reactor tubular de lecho fijo que permita optimizar (aumentar) el tiempo de paso de los gases en el lecho fijo de polvo catalítico.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un reactor tubular de lecho fijo que permita la inyección por etapas de uno o más reactivos dentro del catalizador sólido.
Divulgación de la invención
Los objetivos de la presente invención se alcanzan, al menos en parte, mediante un reactor tubular de lecho fijo que se extiende, según un eje longitudinal XX', entre un primer extremo y un segundo extremo. Dicho reactor comprende un lecho de polvo catalítico confinado en un espacio anular delimitado por una pared externa de un tubo hueco y una pared interna de un inserto hueco dispuesto de manera coaxial en el tubo hueco,
El inserto hueco comprende al menos una cámara de distribución y al menos una cámara de recolección, separadas entre sí por al menos una primera pared divisoria, la al menos una cámara de distribución comprende una pluralidad de compartimentos de distribución separados entre sí por una o varias segundas paredes divisorias, cada compartimento de distribución y la al menos una cámara de recolección comprenden, respectivamente, una abertura de admisión de gas al nivel del primer extremo y una abertura de evacuación de gas al nivel del segundo extremo,
la pared externa comprende aberturas de distribución y al menos una abertura colectora, que se extienden a lo largo de una longitud L, permitiendo cada abertura de distribución la distribución de un gas capaz de ser admitido a través de una abertura de admisión hacia un compartimento de distribución hacia el espacio anular, y permitiendo la abertura colectora la recolección del gas distribuido en el espacio anular por la cámara de recolección.
Cada abertura de distribución y/o cada abertura colectora puede estar formada por una única abertura.
Alternativamente, una abertura de distribución y/o una abertura colectora pueden comprender varias aberturas, por ejemplo, alineadas en su dirección de extensión.
Según una realización, dicho reactor comprende al nivel del primer extremo y al nivel del segundo extremo, respectivamente, un espacio distribuidor y un espacio recolector entre los cuales se dispone el inserto hueco.
Según una realización, los compartimentos de distribución están obturados al nivel del segundo extremo, y la al menos una cámara de recolección está obturada al nivel del primer extremo.
Según una realización, cada compartimento de distribución está separado del espacio de distribución por una pared, denominada pared de admisión, en la que está prevista la abertura de admisión.
Según una realización, cada abertura de admisión está conformada para imponer, a un caudal dado, una pérdida de presión sobre el gas capaz de ser admitido en el compartimento de distribución asociado a ella. Según una realización, la pérdida de carga impuesta por una abertura de admisión se regula en función de una distancia, denominada distancia reactiva, medida en el espacio anular, entre la abertura de distribución del compartimento de distribución considerado y la abertura colectora más próxima a dicha abertura de distribución. Según una realización, la pérdida de presión impuesta por una abertura de admisión es tanto mayor cuanto más pequeña es la distancia reactiva.
Según un modo de implementación, la pérdida de presión asociada con una abertura de admisión determinada se ajusta mediante el tamaño de dicha abertura de admisión.
Según una realización, en la abertura de admisión está alojado un elemento poroso, presentando el elemento poroso una porosidad que permite imponer la pérdida de carga.
Según una realización, el elemento poroso puede comprender al menos materiales elegidos entre: un material fibroso, en particular una lana, una soga o un tejido metálico o cerámico.
Según una realización, el espacio de distribución comprende una sección volumétrica en la que desembocan las aberturas de admisión, estando dicha sección volumétrica conectada a un conducto de suministro de gas. Según una implementación, el espacio de distribución comprende subsecciones volumétricas en cada una de las cuales desemboca al menos una abertura de admisión.
Según una implementación, las subsecciones volumétricas forman espacios de admisión anulares dispuestos concéntricamente y separados por paredes anulares selladas.
Según una implementación, en al menos una de las subsecciones volumétricas desembocan varias aberturas de admisión.
Según una implementación, cada una de las subsecciones volumétricas está conectada a un conducto de admisión de gas diferente.
Según una implementación, dicho reactor está provisto de una película porosa que cubre la pared interna y está dispuesta para impedir el paso de polvo desde el lecho de polvo catalítico a través de las aberturas de distribución o la abertura colectora.
Según una implementación, el polvo catalítico es retenido en el espacio anular mediante una junta hecha de material fibroso al nivel de cada uno de los extremos del espacio anular, ventajosamente, la junta hecha de material fibroso se mantiene comprimida contra el polvo catalítico mediante un resorte, estando apoyado el resorte contra una placa de retención unida mecánicamente al tubo.
Según una realización, la segunda pared no tiene ninguna abertura en una primera sección y una segunda sección que se extienden desde, respectivamente, el primer extremo y el segundo extremo, superponiéndose la primera sección y la segunda sección con el lecho de polvo a lo largo de una altura H1, siendo la altura H1 entre 0,2 veces y 10 veces, ventajosamente entre 1 vez y 2 veces, la distancia D1 que separa una abertura de distribución de una abertura colectora inmediatamente adyacente, y se mide a lo largo de la superficie exterior de la pared exterior.
Según una implementación, el inserto hueco está provisto de medios de centrado que mantienen este último en una posición coaxial con el tubo hueco, ventajosamente, los medios de centrado comprenden protuberancias formadas en la segunda pared.
Según una implementación, la abertura colectora y las aberturas de distribución tienen un ancho comprendido entre 1/100 y 1/2, ventajosamente entre 1/20 y 1/4, del diámetro del tubo hueco.
Según una implementación, el inserto hueco forma una pieza monobloque.
Breve descripción de las figuras
Otras características y ventajas aparecerán en la siguiente descripción del reactor tubular de lecho fijo según la invención, dada a modo de ejemplos no limitativos, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La figura 1 es una representación esquemática de un reactor tubular de lecho fijo según la presente invención, en particular, la figura 1 representa el reactor a lo largo de un plano de sección longitudinal que pasa por un eje longitudinal XX' de dicho reactor;
La figura 2 es una vista en corte según un plano transversal, perpendicular al eje longitudinal XX' del reactor tubular de la figura 1, según esta representación, el reactor tubular comprende dos cámaras de distribución y dos cámaras de recolección, cada cámara de distribución está dividida en cinco compartimentos de distribución dispuestos de manera simétrica con respecto al plano bisector P, las flechas simbolizan el sentido de circulación del o de los gases en el espacio anular;
La figura 3 es una vista en sección a lo largo de un plano transversal, perpendicular al eje longitudinal XX' del reactor tubular de la Figura 1, y que ilustra las aberturas de admisión de diferentes secciones;
La figura 4 es una vista en sección a lo largo de un plano transversal, perpendicular al eje longitudinal XX' del reactor tubular de la Figura 1, y que ilustra las aberturas de admisión al nivel de las cuales se alojan los elementos porosos;
La figura 5 es una representación del inserto hueco según la presente invención, y provisto de protuberancias para centrar el inserto hueco en el tubo hueco;
La figura 6 es una representación de un elemento de filtro, y en particular de un elemento de filtro formado por 4 planos de fibras, capaz de ser implementado en el reactor tubular según la presente invención; La figura 7 es una representación esquemática de un reactor tubular de lecho fijo según otro ejemplo de la presente invención, en particular, la figura 7 representa el reactor a lo largo de un plano de sección longitudinal que pasa por un eje longitudinal XX' de dicho reactor;
La figura 8 es una representación según un plano en sección longitudinal que pasa por un eje longitudinal XX' del espacio distribuidor según una segunda variante de la presente invención;
La figura 9A es una vista a lo largo del plano de sección AA de la Figura 8;
La figura 9B es una vista a lo largo del plano de sección BB de la Figura 8;
La figura 9C es una vista a lo largo del plano de sección CC de la Figura 8;
La figura 10 es una representación esquemática parcial (al nivel del primer extremo) de una disposición provista de una pluralidad de reactores tubulares según la presente invención.
Presentación detallada de realizaciones particulares
La presente invención se refiere a un reactor-intercambiador tubular con lecho de polvo catalítico fijo. En particular, el lecho de polvo catalítico está confinado en un espacio anular delimitado por una pared, denominada pared exterior, de un tubo hueco y otra pared, denominada pared interior, de un inserto hueco alojado coaxialmente en dicho tubo.
El inserto hueco según la presente invención comprende al menos una cámara de distribución y al menos una cámara de recolección, separadas entre sí por al menos una primera pared divisoria. Además, la al menos una cámara de distribución comprende una pluralidad de compartimentos de distribución separados entre sí por una o más segundas paredes divisorias. Cada compartimento de distribución y la al menos una cámara de recolección comprenden, respectivamente, una abertura de admisión de gas al nivel del primer extremo y una abertura de evacuación de gas al nivel del segundo extremo.
Se entiende que la presencia de una abertura de admisión de gas al nivel del primer extremo implica que dicha abertura está dispuesta para permitir la admisión de gas a través del primer extremo. En otras palabras, la abertura de admisión de gas puede estar dispuesta en el primer extremo.
De manera equivalente, la presencia de una abertura de evacuación de gas al nivel del segundo extremo implica que dicha abertura esté dispuesta para permitir la evacuación de gas a través del segundo extremo. En otras palabras, en el segundo extremo puede estar dispuesta la abertura de evacuación de gas.
La pared interna comprende aberturas de distribución y al menos una abertura colectora, que se extienden a lo largo de una longitud L. Cada abertura de distribución permite la distribución de un gas capaz de ser admitido a través de una abertura de admisión hacia un compartimento de distribución hacia el espacio anular, y la abertura colectora permite la recolección del gas distribuido en el espacio anular por la cámara de recolección.
La implementación de una pluralidad de compartimentos de distribución permite repartir la distribución del gas reactivo, desde la misma cámara de distribución, a diferentes lugares del lecho de polvo catalítico. Este método de distribución limita así la aparición de puntos calientes y preserva el rendimiento del lecho de polvo catalítico.
De manera equivalente, la multiplicidad de compartimentos de distribución permite prever la distribución de gases o mezclas de gases de diferentes naturalezas en el espacio anular. Este último aspecto permite controlar las reacciones implicadas en el lecho de polvo y, en particular, su selectividad.
Las ventajas asociadas con los diferentes aspectos de la presente invención aparecerán más claramente al leer la descripción detallada que sigue.
Así, en las figuras 1 y 2, podemos ver una realización ilustrativa de un reactor tubular de lecho fijo según la presente invención.
El reactor tubular 1 según la presente invención comprende un tubo hueco 10 que se extiende a lo largo de un eje longitudinal XX', entre un primer extremo 11 y un segundo extremo 12. El tubo hueco 10 puede tener una simetría de revolución alrededor del eje longitudinal XX'. Se entiende por tanto que el eje longitudinal XX' puede ser un eje de revolución del tubo hueco 10.
El tubo hueco 10 puede comprender un metal y, en particular, un metal elegido entre: acero, aleación de aluminio, cobre, níquel.
El diámetro de la superficie interna del tubo hueco puede estar entre 5 mm y 100 mm.
La pared, denominada pared exterior 15, que forma el tubo hueco 10 puede tener un espesor comprendido entre 0,5 mm y 10 mm.
El tubo hueco 10 puede tener una longitud de entre 10 y 200 veces el diámetro de la superficie interna.
El reactor tubular 1 también comprende un inserto hueco 20 que también se extiende a lo largo del eje longitudinal XX' y tiene una forma generalmente cilíndrica.
El inserto hueco 20 está alojado en particular en el volumen V del tubo hueco coaxialmente con este último. En particular, el inserto 20 comprende también una pared, denominada pared interna 21, que delimita con la pared externa 15 un espacio anular 30.
El espacio anular 30 está, a este respecto, lleno de un polvo catalítico, y será el asiento de las reacciones de conversión de gases reactivos capaces de pasar a través del reactor tubular 1.
El espacio anular 30 puede tener un espesor, definido como la distancia entre la pared externa 15 y la pared interna 21, comprendida entre el 2 % y el 20 % del diámetro de la superficie interna del tubo hueco 10.
El inserto hueco 20 puede ser de una pieza monobloque.
De manera particularmente ventajosa, el inserto hueco 20 puede estar provisto de medios de centrado que mantienen este último en una posición coaxial con el tubo hueco. Por ejemplo, como se muestra en la figura 5, los medios de centrado comprenden protuberancias 22 formadas en la pared interna.
Estos medios de centrado permiten en particular considerar un inserto hueco con una longitud al menos 20 veces mayor que el diámetro de dicho inserto.
Además, estos medios también permiten facilitar el montaje del reactor tubular 1.
El inserto hueco 20 también comprende al menos una cámara de distribución 40 y al menos una cámara de recolección 50. En particular, el inserto hueco 20 puede incluir entre 1 y 4 cámaras de distribución 40 y entre 1 y 4 cámaras de recolección 50.
Ventajosamente, la al menos una cámara de distribución 40 y la al menos una cámara de recolección 50 están dispuestas alternativamente y se extienden a lo largo de toda la longitud del inserto hueco 20. La al menos una cámara de recolección 50 y la al menos una cámara de distribución 40 también están separadas entre sí por primeras paredes divisorias 60. Por lo tanto, se entiende que una cámara de distribución 40 está delimitada por dos paredes divisorias 60 y una sección de la pared interna 21.
De manera equivalente, una cámara de recolección 50 también está delimitada por dos primeras paredes divisorias 60 y otra sección de la pared interna 21.
Además, las primeras paredes divisorias 60 se extienden a lo largo de toda la longitud del inserto hueco en el volumen definido por el inserto hueco 20, y están dispuestas para impedir cualquier paso directo de gas de una cámara a otra.
Por ejemplo, las primeras paredes divisorias 60 forman planos que pasan por el eje longitudinal XX'. En particular, las dos primeras paredes divisorias 60 de una cámara de distribución 40 pueden tener una forma generalmente alargada y extenderse a lo largo del eje longitudinal XX' desde el primer extremo 11 hacia el segundo extremo 12. En particular, las dos primeras paredes divisorias 60 de una cámara de distribución 40 pueden tener un lado común coincidente con el eje longitudinal XX'. Se entiende además que las dos primeras paredes 60 de una cámara de distribución 40 pueden ser coplanares, en particular cuando el inserto hueco 20 comprende una única cámara de distribución 40.
Cada cámara de distribución 40 comprende además una pluralidad de compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e, separados entre sí por una o más segundas paredes divisorias 41a, 41b, 41c y 41d dispuestas para impedir cualquier paso directo de gas desde un compartimento a otro.
Las segundas paredes divisorias 41a, 41b, 41c y 41d pueden ser ventajosamente paralelas entre sí, y más particularmente paralelas a un plano bisector P de las primeras paredes 60 que delimitan la cámara de distribución 40.
Según esta configuración, los compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e se extienden desde el primer extremo 11 hacia el segundo extremo 12.
Más particularmente, y siempre según esta configuración, los compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e forman una disposición simétrica con respecto al plano de bisección P.
Cada compartimento de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e comprende una abertura de admisión de gas 42a, 42b, 42c, 42d y 42e al nivel del primer extremo 11 (Figuras 1 y 3) de dicho inserto 20 a través del cual es probable que uno o los gases reactivos sean admitidos.
De manera equivalente, la al menos una cámara de recolección 50 comprende una abertura de evacuación 51 al nivel del segundo extremo 12 del inserto hueco 20 y a través de la cual se pueden evacuar uno o más gases (figura 1).
Además, los compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e están cerrados al nivel del segundo extremo 12, y la al menos una cámara de recolección 50 está cerrada al nivel del primer extremo 11.
El inserto hueco 20 también está provisto de una pluralidad de aberturas de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e que se extienden de forma continua o no a lo largo de una longitud L, y ventajosamente paralela al eje longitudinal XX'.
Cada abertura de distribución puede estar formada por una única abertura,
Alternativamente, una abertura de distribución puede comprender una pluralidad de aberturas, por ejemplo, alineadas a lo largo de su dirección de extensión.
En particular, cada una de estas aberturas de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e forma uno o más pasos en la pared interna 21 y está asociada con un compartimento dispensador diferente 40a, 40b, 40c, 40d y 40e. En particular, cada abertura de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e está dispuesta para permitir la distribución en el espacio anular 30 de un gas susceptible de ser admitido, a través de una abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e, en el compartimento de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e con el que está asociado.
El inserto hueco 20 comprende también al menos una abertura colectora 53, que se extiende a lo largo de una longitud L, y ventajosamente paralela al eje longitudinal XX'. La al menos una abertura colectora 53 forma en particular un paso en la pared interna 21 y está asociada con al menos una cámara de recolección 50. En particular, al menos una abertura colectora 53 está dispuesta para permitir la recolección, mediante la cámara de recolección 50, de un gas distribuido en el espacio anular 30.
Cada abertura colectora puede estar formada por una única abertura.
Alternativamente, una abertura colectora puede comprender una pluralidad de aberturas, por ejemplo, alineadas a lo largo de su dirección de extensión.
Así, la abertura de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e, de un compartimento de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e, permite la distribución de un gas susceptible de ser admitido, a través de la abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e, en dicho compartimento hacia el espacio anular 30.
De manera equivalente, la abertura colectora 53 permite la recolección del gas distribuido en el espacio anular 30, por la cámara de recolección 50.
La multiplicidad de compartimentos de distribución asociados a una cámara de distribución dada permite así inyectar uno o varios gases reactivos en el espacio anular 30 en diferentes zonas del dicho espacio 30. Esta distribución de las zonas de inyección de gas permite reproducir el principio de inyección por etapas y limitar así la aparición de calentamientos locales (puntos calientes) al nivel de la zona anular 30. Esta limitación del calentamiento impide también los fenómenos de sinterización del polvo catalítico presente en el espacio anular.
La consideración de una pluralidad de compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e por cámara de distribución 40 permite prever un inserto hueco 20 limitado a una única, o incluso dos, cámaras de distribución. Una disposición de este tipo permite también simplificar la fabricación del inserto hueco 20.
La extensión de las aberturas de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e a lo largo de la longitud L permite también repartir la inyección de gas en el espacio anular 30 y limitar así la aparición de puntos calientes.
Las aberturas de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e pueden tener un ancho comprendido entre 1/100 y 1/2, ventajosamente comprendido entre 1/20 y 1/4, del diámetro del tubo hueco 10.
Ventajosamente, las aberturas de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e de una determinada cámara de distribución 40 pueden estar dispuestas simétricamente con respecto a un plano bisector P de las paredes 60 que delimitan dicha cámara (figura 2).
Así, durante el funcionamiento del reactor tubular 1, se admite un gas a través de las aberturas de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e en cada uno de los compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e. Luego, este gas se distribuye en el espacio anular 30 mediante cada una de las aberturas de distribución 43a, 43b, 43c, 43d y 43e, y luego se recoge mediante la(s) abertura(s) de recolección 53.
El recorrido del gas en el espacio anular 30 depende de la posición relativa de las aberturas de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e y las aberturas colectoras 53. En particular, y como ilustran las flechas en la Figura 2, el gas distribuido por una determinada abertura de distribución es recogido principalmente por la abertura colectora 53 que está más cercana a dicha abertura del distribuidor. Por "abertura colectora más cercana a dicha abertura de distribución" se entiende la abertura colectora que está asociada al recorrido reactivo más corto del gas con respecto a las otras aberturas colectoras. En otras palabras, la abertura colectora más cercana a dicha abertura de distribución no es otra que la primera abertura colectora que encuentra el gas durante su circulación en el espacio anular 30.
El reactor tubular 1 puede comprender al nivel del primer extremo 11 y al nivel del segundo extremo 12, respectivamente, un espacio distribuidor 13 y un espacio recolector 14 entre los cuales se dispone el inserto hueco 20 (figura 1).
A este respecto, cada compartimento de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e está separado del espacio de distribución 13 por una pared, denominada pared de admisión 44 en la que se proporciona la abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e (figura 3).
Según una realización ventajosa, cada abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e está conformada para imponer una pérdida de presión al gas que probablemente será admitido en el compartimento de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e que es función de una distancia, denominada distancia reactiva, realmente recorrida por dicho gas en el espacio anular 30.
A este respecto, la distancia reactiva depende del compartimento considerado y, en particular, de la distancia entre la abertura de distribución de dicho compartimento y la abertura de recolección 52 más cercana. En particular, la abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e de un compartimento de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e dado puede conformarse para imponer una pérdida de presión que es tanto mayor cuanto mayor sea la distancia entre la abertura de distribución de dicho compartimento y la abertura de recolección más cercana es pequeña.
Ventajosamente, y como se ilustra en la Figura 3, la pérdida de presión asociada con una abertura de admisión determinada se ajusta por su sección. Más particularmente, la pérdida de presión impuesta por una abertura de admisión aumenta a medida que disminuye su sección (la sección de una abertura, según la presente invención, no es otra que la superficie o extensión de dicha abertura).
Alternativa o adicionalmente, y como se ilustra en la Figura 5, la pérdida de presión al nivel de una abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e puede imponerse mediante un elemento poroso 44 alojado en dicha abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e. En particular, cada elemento poroso 44 presenta una porosidad que permite imponer una pérdida de presión predeterminada para un caudal de gas determinado.
A este respecto, el elemento poroso puede comprender al menos uno de los materiales elegidos entre: un material fibroso, en particular una lana, una trenza o un tejido metálico o cerámico.
La consideración de una pérdida de presión ajustada en función de la distancia reactiva permite distribuir y controlar mejor los flujos de gas en el espacio anular. Esta consideración da como resultado una mejor optimización de los fenómenos de calentamiento local del lecho de polvo catalítico y, en consecuencia, una mejora del rendimiento de dicho lecho.
Sin embargo, la invención no se limita únicamente al ajuste de la pérdida de presión impuesta al nivel de las aberturas de admisión. En efecto, el experto en la materia, basándose en los elementos anteriores, también podrá considerar, de manera alternativa o complementaria, imponer una pérdida de presión al nivel de las aberturas de distribución.
Ventajosamente, el reactor tubular 1 comprende un filtro dispuesto para impedir el paso del polvo catalítico a los compartimentos de distribución o la cámara de recolección.
Por ejemplo, como se ilustra en la figura 2, se puede disponer un filtro 70 para cubrir la pared interna 21. Alternativamente, el filtro puede comprender elementos de filtro 71 alojados en las aberturas de distribución y las aberturas colectoras. Un elemento de filtro 71 puede comprender una pluralidad de planos 71a, 71b, 71c y 71d que comprenden fibras. El ejemplo ilustrado en la figura 6 incluye en particular 4 planos, cada uno provisto de fibras rectangulares o redondas e inclinados /-45° con respecto al eje longitudinal XX'. Más particularmente, las fibras de dos planos sucesivos están orientadas según dos ángulos diferentes y, en particular, son perpendiculares de un plano al otro.
Según un aspecto particularmente ventajoso ilustrado en la figura 7, el polvo catalítico se retiene en el espacio anular 30 mediante una junta 31 hecha, por ejemplo, de material fibroso al nivel de cada uno de los extremos de dicho espacio anular 30.
En la medida en que la junta está realizada en material fibroso, esta última es necesariamente porosa y por tanto permeable a los gases reactivos.
A este respecto, el material fibroso puede comprender al menos uno de los elementos elegidos entre: fibra de vidrio, fibra cerámica, fibra metálica, fibra de carbono, fibra de material polimérico.
La junta 31 puede tener en particular forma de trenza, tubo, cordón o simplemente comprender un relleno de material fibroso.
Ventajosamente, el material fibroso es un aislante térmico y tiene una conductividad térmica sustancialmente equivalente a la del catalizador utilizado (0,2 W/m/K a 10 W/m/K).
Según una realización ventajosa, la junta 31 de material fibroso se mantiene comprimida contra el polvo catalítico mediante un resorte 32. Por ejemplo, el resorte 32 hace tope contra una placa de retención 33 unida mecánicamente al tubo por un anillo 34.
La junta 31 realizada en material fibroso en combinación con el o los resortes permite compactar mejor el polvo catalítico y evitar el desgaste de este último durante la manipulación o el transporte del reactor.
En la medida en que la junta 31 sea porosa, los gases reactivos pueden penetrar directamente en el espacio anular sin pasar a través de los compartimentos de distribución.
En este caso (figura 7), resulta particularmente ventajoso prever una disposición del inserto hueco 20 que permita imponer a este gas reactivo un recorrido predeterminado en el espacio anular para favorecer su conversión en contacto con el lecho de polvo catalítico. Este recorrido predeterminado tiene una longitud de entre 0,2 veces y 10 veces, ventajosamente entre 1 vez y 2 veces, la distancia reactiva definida anteriormente. Con este fin, la pared interna 21 puede estar desprovista de aberturas en una primera sección 21a y una segunda sección que se extienden desde, respectivamente, el primer extremo 11 y el segundo extremo 12. A este respecto, la primera sección 21a y la segunda sección se superponen con el lecho de polvo a lo largo de una altura H1. La altura H1 está comprendida entre 0,5 veces y 10 veces, ventajosamente entre una y 2 veces, la distancia reactiva.
La admisión de los gases, como se ha descrito anteriormente, se realiza al nivel del espacio distribuidor. Este último puede, en este sentido, estar dispuesto, según una primera variante, para permitir la admisión del mismo gas en cada uno de los compartimentos de distribución, o, según una segunda variante, para permitir la admisión de gases diferentes de un compartimento a otro.
Según la primera variante (figura 1), el espacio de distribución 13 comprende una sección volumétrica en la que desembocan todas las aberturas de admisión. Según esta primera variante, la sección volumétrica está conectada a un conducto de suministro de gas. En otras palabras, todos los compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e son alimentados por el mismo gas o mezcla de gases.
Según la segunda variante ilustrada en las Figuras 8, 9A, 9B y 9C, el espacio distribuidor 13 comprende subsecciones volumétricas 45a, 45b y 45c en cada una de las cuales se abre al menos una abertura de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e. Ventajosamente, las subsecciones volumétricas 45a, 45b y 45c forman espacios de admisión anulares dispuestos concéntricamente y separados por paredes anulares 46a, 46b herméticas (figuras 9Ay 9B). Ventajosamente, varias aberturas de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e pueden desembocar en al menos una de las subsecciones volumétricas. Por ejemplo, las aberturas de admisión 42a, 42b, 42c, 42d y 42e asociadas a los compartimentos de distribución 40a, 40b, 40c, 40d y 40e que imponen la misma distancia reactiva al gas pueden conducir a la misma subsección volumétrica. En particular, como se muestra en la Figura 9B, las aberturas de admisión 42a y 42c conducen a la subsección volumétrica 45a, las aberturas de admisión 42b y 42d en la subsección volumétrica 45b, y la abertura de admisión 42c en la subsección volumétrica 45c.
Ventajosamente, cada una de las subsecciones volumétricas 45a, 45b y 45c puede conectarse a un conducto de entrada de gas diferente. En particular, las subsecciones volumétricas 45a, 45b y 45c están conectadas, respectivamente, a un primer conducto 47a, un segundo conducto 47b y un tercer conducto 47c (figura 8).
Así, según esta segunda variante, se puede considerar la inyección de diferentes gases o de diferentes mezclas de gases en los compartimentos de distribución.
La figura 10 es una ilustración de la implementación de una pluralidad de reactores tubulares 1 según la presente invención, y en particular según la segunda variante (sin embargo, se entiende que también se puede considerar la primera variante). Esta implementación incluye en particular 3 reactores tubulares 1 dispuestos paralelos entre sí en una calandria. Las placas de sujeción tubulares 80 permiten en particular sujetar los reactores tubulares y proporcionar un espacio para la circulación de un fluido caloportador destinado a enfriar los reactores tubulares 1.
Además, todos los reactores tubulares pueden recibir gas a través de los mismos conductos de suministro: los conductos de suministro 47a, 47b y 47c.
En particular, y como se muestra en la Figura 10, el conducto 47a en particular conectado a la subsección volumétrica 45a de cada uno de los reactores 1, el conducto 47b en particular conectado a la subsección volumétrica 45b de cada uno de los reactores 1, y el conducto 47c en particular conectado a la subsección volumétrica 45c de cada uno de los reactores 1.
El reactor tubular según la presente invención, y en particular la realización de un compartimento en la(s) cámara(s) de distribución, permite prever una distribución escalonada de gases y mezclas de gases en el espacio anular.
Esta configuración responde así favorablemente al problema del calentamiento del polvo catalítico y limita así la aparición de puntos calientes. El resultado es un dispositivo más eficiente y duradero.
Además, la disposición del polvo catalítico en el espacio anular facilita el enfriamiento de este último.
El reactor tubular según la presente invención se utiliza ventajosamente para la síntesis de metano, metanol, dimetiléter o incluso para la realización de la síntesis de Fisher-Tropsch.
El inserto hueco se puede fabricar en forma de una pieza monobloque mediante un proceso de fabricación aditivo (por ejemplo, un proceso de fabricación 3D). Estos procesos de fabricación abren el camino a la formación de piezas de forma compleja, en particular la formación de una sola pieza que incluye el espacio distribuidor, el espacio colector y el inserto hueco.
Alternativamente, el inserto hueco puede ser un elemento independiente ensamblado con un espacio distribuidor, formado por un primer cuerpo terminal, y un espacio colector, formado por un segundo cuerpo terminal.
El montaje puede implicar la implementación de juntas intercaladas entre cada uno de los cuerpos terminales y el inserto hueco.

Claims (15)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Reactor tubular (1) de lecho fijo que se extiende, según un eje longitudinal XX', entre un primer extremo (11) y un segundo extremo (12), dicho reactor comprende un lecho de polvo catalítico confinado en un espacio anular (30) delimitado por una pared externa (15) de un tubo hueco (10) y una pared interna (21) de un inserto hueco (20) dispuesto coaxialmente en el tubo hueco (10),
    el inserto hueco (20) comprende al menos una cámara de distribución (40) y al menos una cámara de recolección (50), separadas entre sí por al menos una primera pared divisoria (60), comprendiendo la al menos una cámara de distribución (40) una pluralidad de compartimentos de distribución (40a, 40b, 40c, 40d y 40e) separados entre sí por una o más segundas paredes divisorias (41a, 41b, 41c y 41d), cada compartimento de distribución (40a, 40b, 40c, 40d y 40e) y la al menos una cámara de recolección (50) que comprende, respectivamente, una abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e) de gas al nivel del primer extremo (11) y una abertura de evacuación (51) de gas al nivel del segundo extremo (12),
    la pared interna (21) comprende aberturas de distribución (43a, 43b, 43c, 43d y 43e) y al menos una abertura colectora (53) que se extiende a lo largo de una longitud L, permitiendo cada abertura de distribución (43a, 43b, 43c, 43d y 43e) la distribución de un gas capaz de ser admitido por una abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e) en un compartimento de distribución hacia el espacio anular (30) y permitiendo la abertura colectora (53) la recolección del gas distribuido en el espacio anular (30) por la cámara de recolección (50).
  2. 2. Reactor según la reivindicación 1, en el que dicho reactor comprende al nivel del primer extremo (11) y al nivel del segundo extremo (12), respectivamente, un espacio distribuidor (13) y un espacio colector (14) entre los cuales está dispuesto el inserto hueco (20).
  3. 3. Reactor según la reivindicación 2, en el que los compartimentos de distribución (40a, 40b, 40c, 40d y 40e) están obturados al nivel del segundo extremo (12), y la al menos una cámara de recolección (50) está obturada al nivel del primer extremo (11).
  4. 4. Reactor según la reivindicación 2 o 3, en el que cada compartimento de distribución está separado del espacio de distribución (13) por una pared, denominada pared de admisión, en la que está prevista la abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e), opcionalmente en el que cada abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e) está conformada para imponer una pérdida de presión al gas capaz de ser admitido en el compartimento de distribución asociado con ella, opcionalmente la pérdida de presión impuesta por una abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e) se ajusta en función de una distancia, denominada distancia reactiva, medida en el espacio anular (30), entre la abertura de distribución (43a, 43b, 43c, 43d y 43e) del compartimento de distribución considerado y la abertura colectora (53) más cercana a dicha abertura de distribución (43a, 43b, 43c, 43d y 43e).
  5. 5. Reactor según la reivindicación 4, en el cual la pérdida de carga impuesta por una abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e) es tanto más importante cuanto menor es la distancia reactiva, opcionalmente en el que la pérdida de presión asociada a una abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e) determinada se ajusta por el tamaño de dicha abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e).
  6. 6. Reactor según la reivindicación 5, en el que un elemento poroso está alojado en la abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e), teniendo el elemento poroso una porosidad que permite imponer la pérdida de presión, opcionalmente en el que el elemento poroso puede comprender al menos uno de los materiales elegidos entre: un material fibroso, en particular una lana, una trenza o un tejido metálico o cerámico.
  7. 7. Reactor según una de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el espacio de distribución (13) comprende una sección volumétrica en la que desembocan las aberturas de admisión, estando conectada dicha sección volumétrica con un conducto de suministro de gas.
  8. 8. Reactor según una de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el espacio de distribución (13) comprende subsecciones volumétricas (45a, 45b y 45c), en cada una de las cuales desemboca al menos una abertura de admisión (42a, 42b, 42c, 42d y 42e).
  9. 9. Reactor según la reivindicación 8, en el que las subsecciones volumétricas (45a, 45b y 45c) forman espacios de admisión anulares dispuestos concéntricamente y separados por paredes anulares (46a, 46b) herméticas, opcionalmente en los que varias aberturas de admisión desembocan en al menos una de las subsecciones volumétricas (45a, 45b y 45c), opcionalmente en las que cada una de las subsecciones volumétricas está conectada a un conducto de admisión de gas diferente.
  10. 10. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho reactor está provisto de una película porosa que recubre la pared interna (21), y está dispuesto para evitar el paso de polvo del lecho de polvo catalítico a través de las aberturas de distribución (43a, 43b, 43c, 43d y 43e) y/o la abertura colectora (53).
  11. 11. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 10, en el que el polvo catalítico es retenido en el espacio anular (30) mediante una junta de material fibroso al nivel de cada uno de los extremos del espacio anular (30), ventajosamente, la junta hecha de material fibroso se mantiene en compresión contra el polvo catalítico mediante un resorte, el resorte está apoyado contra una placa de retención unida mecánicamente del tubo.
  12. 12. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la pared interna está desprovista de aberturas en una primera sección y una segunda sección que se extienden, respectivamente, desde el primer extremo (11) y el segundo extremo (12), la primera sección y la segunda sección están en recubrimiento con el lecho de polvo en una altura H1, siendo la altura H1 comprendida entre 0,2 veces y 10 veces, ventajosamente comprendida entre 1 vez y 2 veces, la distancia D1 que separa una abertura de distribución de una abertura colectora (53) inmediatamente adyacente, y medida a lo largo de la superficie externa de la pared externa (15).
  13. 13. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el inserto hueco (20) está provisto de medios de centrado que lo mantienen en posición coaxial con el tubo hueco (10), ventajosamente, los medios de centrado comprenden protuberancias formadas en la segunda pared.
  14. 14. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 13, en el que la abertura colectora (53) y las aberturas de distribución tienen un ancho comprendido entre 1/100 y 1/2, ventajosamente comprendido entre 1/20 y 1/4, del diámetro del tubo hueco (10).
  15. 15. Reactor según una de las reivindicaciones 1 a 14, en el que el inserto hueco (20) forma una pieza monobloque.
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