ES2985615T3 - Reactor endotérmico de eficiencia mejorada para la producción de gas de síntesis con recuperación de calor flexible para satisfacer la baja generación de vapor de exportación - Google Patents
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Abstract
Un aparato para llevar a cabo reacciones endotérmicas que incluye una pluralidad de recipientes catalíticos, sumergidos en una cámara de combustión. La cámara de combustión tiene una cámara de convección superpuesta contigua que encierra una porción superior de los recipientes catalíticos en la que se recupera calor a un nivel de temperatura más bajo de los gases de combustión generados en la cámara de combustión. Los recipientes catalíticos pueden contener tubos de recuperación de calor internos y coaxiales que crean un espacio anular lleno de un dispositivo catalítico. Tanto la recuperación de calor externa a través de la superficie exterior del tubo catalizador como la recuperación de calor interna a través de la superficie del tubo interior se pueden maximizar por medio de un dispositivo catalítico mejorado que actúa también como un promotor de transferencia de calor en la región de gas de proceso. El aparato realiza una recuperación de calor mejorada y flexible que permite satisfacer la solicitud de producción mínima o nula de vapor de exportación en un solo aparato, evitando la necesidad de una sección de pre-reformado y/o de un reformador convectivo aguas abajo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Reactor endotérmico de eficiencia mejorada para la producción de gas de síntesis con recuperación de calor flexible para satisfacer la baja generación de vapor de exportación
CAMPO DE LA INVENCIÓN
[0001]La presente invención se refiere a los procesos endotérmicos tales como, pero sin limitación, el proceso de reformado con vapor y el proceso de reformado con CO2 a partir de alimentaciones de hidrocarburos fósiles, de alimentaciones de biogás o alimentaciones de compuestos oxigenados como bioalcoholes, para la producción de un gas de síntesis que tiene una relación H2:CO adecuada para el proceso corriente abajo deseado (hidrógeno, amoníaco, metanol, GTL, etc.).
[0002]Más específicamente, la presente invención se refiere a la principal etapa de reacción endotérmica de dichos procesos y tiene como objetivo proporcionar una solución flexible para hacer coincidir el equilibrio térmico general del proceso con el mínimo consumo de combustible, la producción de CO2 y el rechazo de calor a la atmósfera. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
[0003]Es bien conocido preparar un gas de síntesis (que consiste principalmente en hidrógeno y monóxido de carbono y, además, dióxido de carbono, nitrógeno, hidrocarburos no convertidos y vapor) por medio del reformado endotérmico con vapor de una alimentación de hidrocarburos en un aparato que consiste en recipientes de catalizador sumergidos en una caja radiante donde se intercambia calor entre el gas de combustión y el gas producto para recuperar el calor que se requiere para mantener una temperatura de reacción adecuada. También se sabe que el combustible necesario para cumplir con el deber térmico de las reacciones endotérmicas se puede reducir mediante la adopción de una recuperación de calor interna de proceso a proceso y mediante la recuperación de calor de los gases de combustión por convección.
TÉCNICA ANTERIOR
[0004]La recuperación de calor descrita anteriormente, tanto del gas de proceso como del gas de combustión, se conoce en la TÉCNICA anterior en una serie de aparatos diferentes.
[0005]La patente de EE. UU. 5,935,531 depositada el 26 de octubre de 1994 describe un reactor catalítico que tiene una pluralidad de recipientes catalíticos tubulares donde se proporciona una tubería ascendente dispuesta coaxialmente para cada uno, de modo que la tubería ascendente forma un espacio anular que aloja el material catalítico. En esta patente, de todos modos, cada recipiente catalítico tubular está encerrado, al menos en una parte, por un distribuidor de calor coaxial que protege los tubos catalíticos de la radiación directa. En este aparato, la presencia de distribuidores de calor coaxiales que rodean cada recipiente catalítico limita el intercambio de calor directo por radiación entre el gas combustible de la zona de combustión y el disipador de calor constituido por la superficie de los tubos del catalizador, y este hecho da como resultado una mayor superficie de transferencia de calor requerida para transferir el trabajo de reacción.
[0006]La patente de EE. UU. 5,429,809 depositada el 22 de febrero de 1994 presenta un reactor de intercambio de calor tubular constituido por una pluralidad de reactores de tubos de bayoneta, cada uno provisto de un manguito perforado exterior y coaxial que realiza un conducto para el suministro progresivo del gas de combustión caliente en contacto con los tubos catalíticos. Además, en este caso, el suministro de calor está limitado por el manguito que actúa como un distribuidor de calor y, de hecho, limita el intercambio de calor directo por radiación.
[0007]Un problema principal de la denominada configuración de "tubos de bayoneta" adoptada tanto en la patente estadounidense 5,935,531 y en la patente estadounidense 5,429,809, es que los tubos interior y exterior están expuestos a diferentes intervalos de temperatura y, en consecuencia, presentan una expansión térmica diferencial. En presencia de un lecho de catalizador convencional hecho de gránulos (típicamente se utiliza una forma cilíndrica con orificios) cargado dentro del volumen anular, los movimientos diferenciales del tubo se ven obstaculizados por la fricción entre las partículas de catalizador y las paredes del tubo, y por la tendencia de los gránulos a atascarse en la zona anular y transmitir la resistencia al aplastamiento desde el tubo exterior al interior, especialmente durante las fases de enfriamiento. Este fenómeno tiene dos consecuencias negativas: a) la ruptura de los gránulos de catalizador, lo que provoca la formación de partículas finas y polvos que se depositan en la parte inferior del lecho, con el consiguiente aumento de las caídas de presión y el riesgo de sinterización de las partículas de catalizador; b) la acumulación de tensión mecánica en la unión entre el tubo interior y el exterior. Ambos aspectos tienden a empeorar con el tiempo y, después de una serie de ciclos de apagado y arranque, pueden dar lugar a un apagado no deseado debido a las altas caídas de presión sobre el lecho del catalizador o incluso a un fallo mecánico debido a la acumulación de tensión.
[0008]Tanto en la patente estadounidense 5,935,531 y la patente estadounidense 5,429,809 la entrada de calor a las reacciones endotérmicas que se producen dentro de los recipientes catalíticos se asegura por medio de dispositivos distribuidores de calor que están ante las llamas (en la patente estadounidense 5,935,531) o en contacto directo con el gas de combustión a muy alta temperatura generado por la combustión adiabática (en la patente estadounidense 5,429,809); estos dispositivos metálicos están necesariamente fabricados con materiales de aleaciones de alta calidad, lo que añade coste y complejidad al diseño, y constituyen componentes sujetos a posibles fallos mecánicos con la consiguiente reducción de la fiabilidad del equipo.
[0009]La patente de EE. UU. 6,793,700 depositada el 14 de enero de 2002 presenta una configuración de recuperación de calor tanto del gas de proceso como del gas de combustión fuera de la cámara de combustión, al menos en lo que respecta a una porción de los recipientes catalíticos (parte inferior), pero esta geometría peculiar limita la recuperación de calor interna a esa porción de los tubos catalíticos y, debido a la configuración adoptada, conduce a la necesidad de dividir la alimentación de gas de proceso en dos corrientes de alimentación dirigidas a las entradas superior e inferior, lo que resulta en una duplicación de los colectores de entrada y del control de alimentación. El documento EP 1329256 A1 describe un aparato para un proceso de reformado de hidrocarburos que incluye una cámara de combustión, una cámara de convección en comunicación de fluidos con la cámara de combustión, al menos un quemador dispuesto en la cámara de combustión, una cámara de reacción, un medio para hacer fluir una primera alimentación mixta a través de una primera parte de la cámara de reacción, y un medio para hacer fluir una segunda alimentación mixta a través de una porción anular de una segunda parte de la cámara de reacción, siendo la segunda parte un tubo en tubo en comunicación de fluidos con la primera parte. Los quemadores generan un flujo de un gas de combustión que tiene un calor sensible desde la cámara de combustión a la cámara de convección. El flujo del gas de combustión en la cámara de convección está a contracorriente con el flujo de la segunda alimentación mixta.
[0010]Un propósito principal de extender la recuperación de calor del gas de proceso y los gases de combustión es que el calor en exceso generado por la combustión sea muy limitado o nulo, minimizando o eliminando la generación de vapor de exportación, que no siempre es un subproducto deseado en un proceso de gas de síntesis. OBJETIVO DE LA INVENCIÓN
[0011]La presente invención presenta soluciones a los problemas mencionados anteriormente por medio de dispositivos catalíticos innovadores y regulación de entrada de calor, mientras se mantiene una sola entrada del gas de alimentación.
[0012]El alcance específico de la presente invención también es cumplir con un requisito de vapor de exportación limitado, ya sea nulo o limitado al 10 % de crédito de vapor del consumo total de energía (LHV) para la producción de gas de síntesis; gracias a una recuperación de calor interna flexible, este alcance específico se cumple en un solo aparato, sin necesidad de instalar una sección de prerreformado o un reformador de intercambio de calor corriente abajo. Dicho alcance se realiza por medio de dos realizaciones diferentes del mismo aparato donde los recipientes catalíticos realizan diferentes niveles de recuperación de calor del gas de proceso interno y el gas de combustión externo.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
[0013]Las características técnicas esenciales de la invención se definen explícitamente en la redacción de la reivindicación independiente 1. Las características adicionales de la invención se definen explícitamente en la redacción de las reivindicaciones dependientes 2-10.
[0014]El aparato de la invención comprende:
- una cámara de combustión con un extremo inferior cerrado, un extremo superior abierto, dos paredes extremas opuestas y dos paredes laterales opuestas
- una cámara de convección, adyacente a la cámara de combustión y ubicada en correspondencia con la ventana de apertura superior, que permite el flujo de gas de combustión a través de una pluralidad de canales de convección en comunicación de flujo con una cámara impelente superior conectada a un canal de gas de combustión de salida; - una pluralidad de recipientes catalíticos dispuestos a una distancia y dispuestos en línea o escalonados a lo largo de la línea central común de la cámara de combustión y convección de tal manera que la porción inferior está sumergida en la cámara de combustión y la porción superior restante está sumergida en la cámara de convección y está provista de una superficie extendida (aletas o pernos longitudinales);
- una pluralidad de quemadores dispuestos en líneas paralelas a lo largo de las paredes laterales de la cámara de combustión en dos o más niveles de combustión, cada línea provista de capacidad de combustión diferenciada o control de capacidad de combustible, el resto de cuyas características esenciales se definen explícitamente en la redacción de la reivindicación independiente 1.
[0015]El aparato de la invención puede comprender cualquiera de las siguientes características técnicas opcionales:
- una parte superior abierta y un extremo inferior cerrado e incluyen un tubo interior de transferencia de calor con ambos extremos abiertos, unidos mecánicamente en el extremo superior y libres para moverse axialmente dentro del recipiente catalítico (primera realización), donde el espacio anular delimitado por el recipiente catalítico y los tubos interiores de transferencia de calor está lleno de un dispositivo catalítico mejorado; o
- un extremo superior e inferior abierto que permite que el gas de proceso fluya una vez (segunda realización), donde el volumen cilíndrico interior se llena con un dispositivo catalítico mejorado;
- un dispositivo catalítico mejorado que llena el recipiente catalítico o los tubos interiores catalíticos del mismo que se realiza a partir de elementos de un soporte mecánico caracterizado por una estructura de celda abierta aleatoria que tiene una alta fracción de huecos (>75 %), una buena conductividad térmica (al menos 5 W/m°K @RT) y que permite el flujo de gas tanto en dirección axial como radial; el material de partida para la preparación de la estructura de celdas abiertas puede ser de naturaleza cerámica perteneciente a la familia del carburo de silicio (por ejemplo: SiC, Si/SiC, opcionalmente mezclado con alúmina) o de naturaleza metálica perteneciente a las aleaciones resistentes al calor (por ejemplo: Ni-Cr-Fe, Ni-Cr-Fe-Mo, Ni-Cr-Al, Ni-Fe-Cr-Al, etc.); la 'estructura de celda abierta' puede realizarse también a partir de alambre o tira de metal envuelta aleatoriamente para formar una madeja de metal irregular; las especies activas catalíticas se añaden a través de una capa catalítica depositada en la parte superior. Cada elemento catalizador se forma en una forma adecuada, anular para la primera realización, cilíndrica para la segunda realización, para apilarse uno sobre el otro para llenar el volumen interior del reactor de cada recipiente catalítico, que es un espacio anular para la primera realización o un espacio cilíndrico en la segunda realización; el único elemento catalizador puede tener diferentes alturas, dependiendo de la altura obtenida del procedimiento de fabricación de la estructura de celda abierta de partida. Las alturas aceptables están en el intervalo de 10 mm a 500 mm. Los diámetros interior y exterior de los elementos anulares y el diámetro del elemento cilíndrico se seleccionan con la tolerancia adecuada para encajar en los recipientes catalíticos y permitir las operaciones de carga y descarga.
- Los elementos catalizadores están separados por "desviadores de flujo" interpuestos entre los elementos caracterizados anteriormente, que realizan la función de dar un componente radial al flujo de gas de proceso desde la línea central del catalizador hasta las superficies de transferencia de calor y luego de vuelta hacia la línea central del catalizador; dicho patrón de flujo de gas da como resultado un aumento relevante de la velocidad de transferencia de calor a través del lecho de catalizador, debido a un aumento de la velocidad media del gas, que es consecuente a una reducción del área de la sección transversal axial y debido a una transferencia de calor paralela asociada con el flujo másico del gas de proceso en dirección radial.
[0016]Otro objeto de la presente invención es un aparato descrito anteriormente donde el espacio anular delimitado por el recipiente catalítico y los tubos interiores de transferencia de calor (en una primera realización) o el espacio dentro de los recipientes catalíticos de "paso único" (en una segunda realización) se llena con un catalizador de tipo estructurado de lámina metálica donde las láminas metálicas están dispuestas para obtener un aumento similar y relevante de la velocidad de transferencia de calor sin un aumento paralelo de las caídas de presión, y evitar la transmisión de la resistencia al aplastamiento entre las paredes externas e internas de los recipientes catalíticos.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
[0017]El aparato objeto de la presente invención realiza una recuperación de calor mejorada y flexible a partir de los gases de combustión generados en la cámara de combustión y del gas de síntesis producido dentro de los recipientes catalíticos.
[0018]Los gases de combustión calientes se generan mediante la combustión de una corriente de biocombustible o convencional en una cámara radiante de combustión lateral, en contacto directo con al menos una porción inferior de los recipientes catalíticos e intercambian calor con el sumidero de proceso que reacciona dentro de los recipientes catalíticos principalmente mediante un mecanismo de transferencia de calor por radiación. La cámara radiante está recubierta por una cámara convectiva que tiene un lado de gas de combustión de área de sección reducida, donde el calor de los gases de combustión al gas de proceso se transmite principalmente por mecanismo convectivo.
[0019]Dicha recuperación de calor flexible se realiza por medio de dos realizaciones diferentes del mismo aparato. La recuperación de calor de los gases de combustión se realiza a través de la superficie exterior de los recipientes catalíticos en ambas realizaciones (ver Fig. 1,2), a lo largo de una cámara convectiva que rodea una parte superior de los recipientes catalíticos, donde la superficie exterior está equipada con una superficie extendida (ya sea aletas o pernos). Se puede realizar una recuperación de calor adicional del gas de síntesis producto por medio de un tubo interior (en la primera realización) ubicado dentro de cada recipiente de catalizador, donde el gas de síntesis caliente fluye hacia arriba en contracorriente con el gas de reacción en la zona anular. De esta manera, las reacciones endotérmicas son sostenidas por el gas producto durante una parte significativa del trabajo térmico (10 %-30 %).
[0020]Las dos realizaciones diferentes están diseñadas específicamente para obtener una máxima eficiencia de combustible (>70 %) y una producción de vapor de exportación cero (primera realización), o bien una menor eficiencia de combustible (60-70 %) con una producción de vapor de exportación limitada (segunda realización), en cualquier caso una eficiencia de combustible considerablemente mayor en comparación con el horno radiante de combustión lateral o de combustión superior.
[0021]La presencia de una superficie extendida (ya sean espárragos o aletas longitudinales) permite una recuperación de calor flexible del gas de combustión a través de una selección adecuada de la relación de extensión, para cumplir con un requisito específico de vapor de exportación resultante del equilibrio térmico general del proceso.
[0022]En ambas realizaciones, la distribución de calor a lo largo del proceso endotérmico en la cámara radiante se realiza por medio de dos o más niveles de encendido, cada uno configurado para ser regulado por el control de encendido, con los quemadores situados simétricamente a lo largo de las paredes laterales a una distancia adecuada de los tubos para evitar el impacto de la llama; de esta manera, la combustión térmica (LHV) se puede liberar según el patrón de absorción de calor de reacción requerido. La liberación de calor gradual a lo largo de los recipientes catalíticos implica que no se necesita ningún distribuidor de calor alrededor de los mismos recipientes, dando como resultado un diseño menos complejo y más fiable y, al mismo tiempo, obteniendo el perfil de flujo de calor deseado y controlado, limitando también la temperatura máxima de la pared del tubo del catalizador.
[0023]El uso de un dispositivo catalítico nuevo y mejorado tiene el propósito principal de evitar los problemas relacionados con la presencia de los gránulos de catalizador en la zona de gas de proceso anular de la primera realización y, al mismo tiempo, obtiene un aumento del coeficiente de transferencia de calor general a través de la superficie de transferencia de calor externa e interna, con el beneficio adicional de reducir las temperaturas máximas de la piel del tubo.
[0024]La presencia de un dispositivo catalítico mejorado mejora el rendimiento y la fiabilidad del proceso también en la configuración de "una sola vez" de los recipientes catalíticos en la segunda realización, ya que en este caso evita la formación de partículas finas de catalizador y polvos que pueden acumularse en la parte inferior, lo que conduce con el tiempo a altas caídas de presión, y también en este caso aumenta el coeficiente de transferencia de calor con la consiguiente disminución de las temperaturas máximas de la piel.
[0025]La invención propuesta en el presente documento, como se describió anteriormente, realiza, a través de dos realizaciones diferentes, una recuperación de calor flexible y mejorada, que permite equilibrar la solicitud de vapor de exportación en un solo equipo, sin la necesidad de instalar una sección de prerreformado y/o un reformador convectivo corriente abajo del reformador principal, de tal manera que supera problemas específicos de la tecnología de la técnica anterior y representa un paso adelante hacia un proceso más eficiente, sencillo y confiable.
[0026]El aparato según la invención se aclarará a continuación con el uso de figuras donde se han incorporado diversas realizaciones preferidas de la invención sin tener la intención de limitar la invención a esas realizaciones particulares como se representa en las figuras.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
[0027]En los dibujos:
la Fig. 1 representa una sección vertical de un reactor endotérmico según la primera realización de la presente invención donde los recipientes catalíticos se disponen a lo largo del plano central común de las cámaras de combustión y convección; cada recipiente catalítico contiene un tubo concéntrico interior que origina un espacio anular lleno de un dispositivo catalítico mejorado;
la Fig. 2 representa una sección vertical de un reactor endotérmico según la segunda realización de la invención donde los recipientes catalíticos están abiertos en ambos extremos superior e inferior y no contienen un tubo de transferencia de calor interior;
las Figs. 3a y 3b representan las secciones horizontales de las dos realizaciones de las Fig. 1 y 2;
las Figs. 4a y 4b representan en secciones verticales y horizontales dos configuraciones diferentes del dispositivo catalítico mejorado instalado en los recipientes catalíticos según la primera y la segunda realización de la invención; las Figs. 5a y 5b representan los detalles de dos desviadores de flujo consecutivos de la primera realización según las Fig. 1 y 4a;
las Figs. 6a y 6b representan los detalles de dos desviadores de flujo consecutivos de la segunda realización según las Fig. 2 y 4b;
las Figs. 7a y 7b representan una posible configuración de apilamiento de elementos catalíticos y desviadores de flujo, respectivamente, en la primera realización de la Fig. 4a y en la segunda realización de la Fig. 4b.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
[0028]Con referencia a los dibujos ilustrados anteriormente, el aparato objeto de la presente invención consiste en una pluralidad de recipientes catalíticos 10 sumergidos en una cámara de combustión 100 equipada con quemadores 101. Una parte superior de los recipientes catalíticos se sumerge en una cámara convectiva contigua y superpuesta 200 en comunicación de flujo con la cámara de combustión 100.
[0029]Los recipientes catalíticos 10 están dispuestos a lo largo del plano central común de las cámaras de combustión y convección, a la misma distancia entre sí y pueden estar dispuestos en línea (preferido) o escalonados en un paso triangular (primera realización en la Fig. 1 y segunda realización en la Fig. 2). La cámara de combustión 100, que incorpora la porción inferior de los recipientes catalíticos, está dedicada a la producción de gases de combustión calientes por combustión de aire a través de quemadores 101 ubicados en las paredes laterales a la vista de los tubos y a una distancia adecuada para evitar cualquier impacto de llama. Cabe señalar que en ambas realizaciones el diseño excluye el uso de cualquier otra configuración de quemador que no sea el "encendido lateral". La presencia de una cámara de convección superior de longitud sustancial requiere de hecho una mayor caída de presión de los gases de combustión de lo que sería necesario con un reformador convencional que tenga solo una sección radiante. Como resultado, un quemador de "encendido superior", que es otro diseño de quemador convencional, conduciría a una distorsión significativa de la llama que conduciría a la incidencia de la llama en los tubos y potencialmente a la entrada de la llama en la sección de convección, lo que no es deseable. Por otro lado, el uso de quemadores de "encendido por la parte inferior" no permitiría distribuir la entrada de calor a los recipientes catalíticos según sea necesario, mientras que el uso (aquí seleccionado) de dos o más niveles de quemadores de encendido lateral, cada uno provisto de diferentes capacidades de encendido, o con control de capacidad de encendido por nivel, puede garantizar que se siga cualquier patrón de liberación de calor deseado, realizando una combustión controlada "por zona" de cualquier tipo de gas combustible disponible (gas de purga del proceso de purificación de gas de síntesis corriente abajo, gas natural, gas combustible de refinería, biogás, etc.). El calor generado por la combustión (LHV) se libera así a los diferentes niveles de cocción según un patrón de cocción seleccionado, de tal manera que la absorción de calor por la reacción endotérmica en cada zona de cocción sigue un perfil de flujo de calor deseado y que no se excede una temperatura máxima aceptable de la piel del tubo.
[0030]En ambas realizaciones, el lado superior de la carcasa refractaria 200 se concibe como una cámara de convección, donde se permite que los gases de combustión calientes 3a y 3b generados en la cámara de combustión 100 fluyan hacia arriba, en contracorriente con el flujo de gas de proceso dentro de los recipientes catalíticos, a través de conductos refractarios herméticos 201 realizados por medio de materiales refractarios preformados que rodean los recipientes catalíticos 10; la porción superior de los recipientes catalíticos 10 está provista de una superficie extendida 12 (ya sea aletas longitudinales o pernos) que permite igualar la recuperación de calor por convección deseada del gas de combustión. En el extremo superior de la cámara de convección 200, los conductos de gases de combustión 201 que rodean cada recipiente catalítico están conectados con una cámara impelente común 202 donde las corrientes de gases de combustión que fluyen hacia arriba en cada conducto refractario 201 se recogen en la cámara común 202 y fluyen ortogonalmente al eje del tubo hacia un extremo común 3.
[0031]Los gases de combustión calientes generados, 3a y 3b, en la cámara de combustión 100 y que fluyen a través de los canales de convección 201 a la salida superior 3 intercambian su contenido de calor a través de la superficie exterior de los tubos catalíticos 20, que fluye en contracorriente con el gas de reacción dentro de los tubos. En la porción de tubo sumergida en la cámara de combustión 100, el mecanismo de transferencia de calor predominante por el gas de combustión es radiación, mientras que en la porción sumergida en la cámara de convección 200, el mecanismo de transferencia de calor predominante es la convección. La longitud del tubo expuesto de la porción inferior está en el intervalo del 50 % al 75 % de la longitud total del tubo expuesto, y se selecciona para limitar la temperatura del gas de combustión en la entrada de los canales de convección 201 a un nivel compatible con el material de superficie extendida (como 25Cr-20Ni SS).
[0032]En la primera realización (Fig. 1), cada recipiente catalítico está cerrado en un extremo (parte inferior) y contiene un tubo concéntrico interior 20 que origina un espacio anular, donde este espacio anular está lleno de un dispositivo catalítico mejorado 11a que realiza la función catalítica y que actúa simultáneamente como un promotor de transferencia de calor. La alimentación de gas de proceso 1 se distribuye al extremo superior de los recipientes catalíticos 10 a través de un colector interno 13 y fluye hacia abajo a través del volumen anular lleno del dispositivo catalítico mejorado 11a donde tienen lugar las reacciones endotérmicas; en el extremo inferior del recipiente de catalizador, el gas reaccionado 2 invierte su dirección y fluye hacia arriba dentro del tubo de transferencia de calor 20 mientras intercambia calor con el gas de proceso de reacción en el volumen anular; en correspondencia con las salidas superiores 2, el gas de síntesis sale de los recipientes de catalizador y se recoge a través del colector de salida 21 hacia el proceso corriente abajo. El tubo interior está unido mecánicamente al tubo exterior por medio de una placa soldada 15 insertada entre las bridas superiores y, por lo tanto, está completamente soportado en la parte superior. El tubo interior es más corto que el tubo exterior para proporcionar un espacio entre el extremo inferior abierto del tubo interior y el extremo inferior cerrado del tubo 10 para permitir que el gas fluya desde la sección del tubo exterior a la interior. El peso de cada recipiente catalítico se soporta en parte a través de los soportes inferiores 14 y en parte se sostiene a través de contrapesos exteriores en la parte superior, lo que permite la expansión térmica de los tubos en la parte superior.
[0033]En la segunda realización, los recipientes catalíticos están abiertos tanto en el extremo superior como en el inferior, y no contienen el tubo interior de transferencia de calor 20. En esta realización simplificada, el gas de síntesis de proceso 1 fluye solo hacia abajo (una vez a través) dentro de los recipientes catalíticos a través del dispositivo catalítico mejorado 11b desde el extremo superior hasta el inferior, en contracorriente con el gas de combustión que fluye hacia arriba. El gas de proceso de reacción que fluye a través del dispositivo catalítico 11b sale de los recipientes de catalizador desde el extremo inferior y se recoge a través del colector de salida 21. El peso de los recipientes catalíticos se soporta en parte a través de los soportes inferiores 14 y en parte se sostiene a través de contrapesos exteriores ubicados exteriormente en la parte superior, lo que permite la expansión térmica de los tubos hacia arriba.
[0034]El dispositivo catalítico mejorado instalado en los recipientes catalíticos puede tener dos configuraciones posibles (11a y 11b en las figuras 4a y 4b) desarrolladas adecuadamente para los recipientes catalíticos de la primera realización y de la segunda realización.
[0035]El dispositivo catalítico nuevo y mejorado se realiza a partir de un soporte mecánico caracterizado por una estructura de celda abierta aleatoria que tiene una alta fracción de huecos (>75 %), una buena conductividad térmica (al menos 5 W/m°K RT) y que permite el flujo de gas tanto en dirección axial como radial; como, por ejemplo, las espumas cerámicas de celdas abiertas preparadas a partir de materiales de alta conductividad (por ejemplo, carburo de silicio o una combinación de alúmina y SiC), o bien las espumas metálicas o madejas metálicas preparadas a partir de aleaciones metálicas resistentes al calor seleccionadas adecuadamente para las altas temperaturas y atmósferas de gas de síntesis reductoras (como, por ejemplo, aleaciones de Ni-Cr-Fe, Ni-Cr-Fe-Mo, Ni-Cr-Al, Ni-Fe-Cr-Al, etc.). Las espumas cerámicas de celdas abiertas, las espumas metálicas o las mallas de alambre son soportes mecánicos adecuados para la deposición del material catalítico para el proceso endotérmico; las especies activas del catalizador se seleccionan de metales de transición (componente único o combinación de más metales). Para obtener la mejor transferencia de calor frente a las caídas de presión y el rendimiento catalítico, el soporte mecánico debe caracterizarse por: alta fracción de huecos, alta conductividad térmica, alta capacidad de adhesión, alta relación superficie/volumen.
[0036]Según la presente invención, el soporte mecánico de catalizador se conforma en elementos anulares (para la primera realización, dispositivo catalítico 11a) o en elementos cilíndricos (para la segunda realización, dispositivo catalítico 11b), para apilarse uno sobre el otro dentro de los recipientes catalíticos, después de la deposición de las especies activas de catalizador; desviadores de flujo (110a y 111a para la primera realización en la Fig. 6a y 6b, 110b y 111b para la segunda realización en la Fig. 7a y 7b) se interponen entre los elementos catalizadores, realizando la función de dirigir el flujo de gas de proceso según un patrón de flujo deseado. En ambas realizaciones, los desviadores de flujo se realizan a partir de láminas de metal que tienen un espesor adecuado para sostener el peso del dispositivo catalítico apilado en la parte superior y se realizan a partir de materiales de aleación de alta calidad resistentes a altas temperaturas y atmósferas de gas de síntesis (como, por ejemplo, Inconel o aleaciones Incoloy). En la primera realización, los desviadores de flujo están conformados como pares repetidos de anillos que tienen configuraciones 110a y 111a (véanse las Fig. 5a y 5b); el primero está provisto de vigas de centrado radiales 112a, el segundo de vigas de conexión radiales 113a.
[0037]El diámetro exterior del segundo desviador de flujo 111b, que está en correspondencia con el tubo catalítico 10 ID, y el diámetro interior en correspondencia con el tubo de transferencia de calor 20 OD, tienen tolerancias adecuadas para permitir su inserción y extracción para la carga y el cambio del catalizador.
[0038]El primer desviador encontrado 110a divide el gas en dos corrientes, una que fluye hacia la superficie exterior del tubo interior 10 y la otra que fluye hacia la superficie interior del recipiente de catalizador 20. Las áreas de sección libre interior y exterior se seleccionan de tal manera que la cantidad de calor que se transferirá desde el gas de combustión y desde el gas de proceso (por ejemplo: un 80 % de gas de combustión y un 20 % de gas de proceso) se transmite desde la superficie interior del recipiente de catalizador 10 y desde la superficie exterior del tubo interior 10 (el modelado CFD es necesario para realizar cálculos de transferencia de calor y caídas de presión según el régimen de flujo establecido por la geometría descrita). El segundo desviador de flujo 111a está hecho de dos anillos, conectados por vigas radiales 113a, dejando un área de sección central libre anular que permite el flujo de gas axial hacia abajo.
[0039]El área de sección exterior e interior del primer desviador de flujo 110a y el área de sección libre central del desviador de flujo 111a, junto con el número total de desviadores de flujo dentro de un recipiente de catalizador, son parámetros de diseño a optimizar por medio de modelado dinámico de fluidos para obtener la tasa máxima de transferencia de calor frente a las caídas de presión seleccionadas permitidas, una vez que se han seleccionado los diámetros de tubo 10 y 20. El intervalo adecuado de las áreas de sección de flujo libre es de un 20 %-66 % del área de flujo anular total, mientras que la altura entre dos desviadores de flujo consecutivos puede variar de 100 a 500 mm. Dependiendo de la altura del único elemento catalizador, optimizado teniendo en cuenta el procedimiento de fabricación, el espacio entre dos desviadores de flujo consecutivos puede llenarse con uno o más elementos catalizadores, como se muestra en las Fig. 7a y 7b.
[0040]La configuración general del dispositivo catalítico mejorado como se describió aquí anteriormente, tiene la ventaja de desviar el flujo de gas de proceso en dirección radial hacia la superficie interior de los tubos de catalizador 10 y hacia la superficie exterior del tubo interior 20, con el consiguiente impacto de ambas paredes del tubo y el aumento del coeficiente de transferencia de calor hasta el 150 % del valor promedio cuando el área de sección se reduce en un 30 %. Al mismo tiempo, debido a la muy alta porosidad de los elementos de soporte (fracción de vacío >75 %), las caídas de presión no aumentan y, en cambio, se permite un aumento del caudal másico por tubo (“ 30 %) que puede ser igual a las caídas de presión permitidas de un lecho de gránulos de catalizador convencional.
[0041]El mismo patrón de desviadores de flujo se repite hasta la rejilla de salida inferior, donde el gas de síntesis de proceso invierte su flujo hacia arriba dentro del tubo interior.
[0042]De manera similar, para la segunda realización, dos desviadores de flujo consecutivos 110b y 111b (véanse las Fig. 6a y 6b) están conformados como pares alternativos de discos concéntricos y rosquillas que pueden desviar el flujo de gas de proceso una vez en dirección radial hacia la superficie interior de la pared del tubo 10, y luego hacia atrás al eje del reactor.
[0043]El mismo patrón de desviadores de flujo se repite hasta la rejilla de salida inferior, donde el gas de síntesis del proceso sale del recipiente catalítico.
[0044]Las geometrías presentadas aquí del dispositivo catalítico, que comprende los elementos catalíticos y de los desviadores de flujo, son solo indicativas y cualquier otra combinación que pueda garantizar un componente radial del flujo de gas de proceso (como, por ejemplo, un primer anillo cerca del tubo exterior 10 y un segundo anillo cerca del tubo interior 20) puede considerarse como una alternativa válida.
[0045]El uso del "dispositivo catalítico mejorado" descrito anteriormente puede sustituirse eventualmente con dispositivos catalíticos alternativos que tienen características y rendimiento similares, como, por ejemplo, los catalizadores estructurados realizados por medio de láminas metálicas dispuestas de tal manera que realizan impactos de chorro de pared (por ejemplo: la patente estadounidense N.° 4,985,230).
[0046]La presencia de un "dispositivo catalítico mejorado" como se ha descrito anteriormente, o de un catalizador de tipo estructurado de lámina de metal que actúa como promotor de transferencia de calor tiene la ventaja de que el tubo exterior y el tubo interior en la primera realización pueden expandirse térmicamente de forma independiente sin ejercer tensión mecánica y de que no se producen polvo ni pequeñas partículas de catalizador por la ruptura de los gránulos de catalizador.
Claims (10)
1. Un aparato para realizar reacciones endotérmicas capaces de cumplir con el equilibrio térmico con una cantidad nula o limitada de vapor de exportación, a través de una recuperación de calor flexible, que comprende:
una cámara de combustión que tiene un extremo inferior cerrado, un extremo superior abierto, dos paredes extremas opuestas y dos paredes laterales opuestas;
una cámara de convección superior con un lado de gas de combustión de área de sección reducida, en comunicación con dicha cámara de combustión a través de dicho extremo superior abierto, que permite el flujo de gas de combustión a través de una pluralidad de canales de convección en comunicación de flujo con una cámara impelente superior conectada a un canal de gas de combustión de salida;
una pluralidad de recipientes catalíticos dispuestos a una distancia y dispuestos en línea o escalonados a lo largo de una línea central de la cámara de combustión y convección de tal manera que una porción inferior está sumergida en la cámara de combustión y una porción superior restante está sumergida en la cámara de convección y está provista de una superficie extendida seleccionada de aletas o pernos longitudinales, donde los gases de combustión calientes generados, 3a y 3b, en la cámara de combustión 100 y que fluyen a través de los canales de convección 201 hacia la salida superior 3 intercambian su contenido de calor a través de la superficie exterior de los tubos catalíticos 20, que fluye en contracorriente con el gas de reacción dentro de los tubos. En la porción de tubo sumergida en la cámara de combustión 100, el mecanismo de transferencia de calor predominante por el gas de combustión es radiación, mientras que en la porción sumergida en la cámara de convección 200, el mecanismo de transferencia de calor predominante es la convección. La longitud del tubo expuesto de la porción inferior está en el intervalo del 50 % al 75 % de la longitud total del tubo expuesto, y se selecciona con el fin de limitar la temperatura del gas de combustión en la entrada de los canales de convección 201 a un nivel compatible con el material de superficie extendida;
la distribución de calor a lo largo del proceso endotérmico en la cámara radiante se realiza por medio de dos o más niveles de encendido, cada uno configurado para ser regulado por el control de encendido, con los quemadores ubicados simétricamente a lo largo de las paredes laterales a una distancia adecuada de los tubos para evitar el impacto de la llama; de esta manera, la combustión térmica (LHV) se puede liberar según el patrón de absorción de calor de reacción requerido. La liberación de calor gradual a lo largo de los recipientes catalíticos implica que no se necesita ningún distribuidor de calor alrededor de los mismos recipientes, dando como resultado un diseño menos complejo y más fiable y, al mismo tiempo, obteniendo el perfil de flujo de calor deseado y controlado, limitando también la temperatura máxima de la pared del tubo del catalizador; y
donde cada recipiente catalítico tiene un extremo inferior cerrado e incluye un tubo interior de transferencia de calor que tiene ambos extremos abiertos, unidos mecánicamente en el extremo superior y libres para moverse axialmente dentro del recipiente catalítico con el fin de obtener una recuperación de calor adicional del gas de síntesis del proceso.
2. El aparato según la reivindicación 1, donde cada recipiente catalítico tiene un extremo inferior cerrado e incluye un tubo interior de transferencia de calor que tiene ambos extremos abiertos, unidos mecánicamente en el extremo superior y libres para moverse axialmente dentro del recipiente catalítico.
3. El aparato según la reivindicación 1 y 2, donde cada recipiente catalítico contiene un "dispositivo catalítico mejorado" realizado a partir de elementos de un soporte mecánicocaracterizado poruna estructura de celda abierta aleatoria que tiene una alta fracción de huecos (>75 %), una buena conductividad térmica (al menos 5 W/m°K @RT) y que permite el flujo de gas tanto en dirección axial como radial; el material de partida para la preparación de la estructura de celdas abiertas es de naturaleza cerámica perteneciente a la familia del carburo de silicio, o de naturaleza metálica perteneciente a las aleaciones resistentes al calor; la "estructura de celda abierta" se realiza también a partir de alambre o tira de metal envuelta aleatoriamente para formar una madeja de metal irregular; la adición de la especie activa catalítica a través de una capa catalítica depositada en la parte superior; cada elemento catalizador se forma en una forma adecuada, para apilarse uno sobre el otro para llenar el volumen interior del reactor de cada recipiente catalítico; la altura del elemento catalizador individual dependiendo de la altura obtenida del procedimiento de fabricación de la estructura de celda abierta de partida.
4. El aparato según una o más de las reivindicaciones anteriores, donde el espacio anular delimitado por el recipiente catalítico y los tubos interiores de transferencia de calor se llena con dicho "dispositivo catalítico mejorado" que actúa como un promotor de transferencia de calor y evita la transmisión de una tensión mecánica entre los recipientes catalíticos y los tubos interiores de recuperación de calor.
5. El aparato según una o más de las reivindicaciones anteriores, donde el espacio anular delimitado por el recipiente catalítico y los tubos interiores de transferencia de calor se llena con un catalizador de tipo estructurado de lámina metálica que actúa como un promotor de transferencia de calor y evita la transmisión de una tensión mecánica entre los recipientes catalíticos y los tubos interiores de recuperación de calor.
6. El aparato según la reivindicación 3, donde los elementos catalíticos están conformados como elementos anulares o cilíndricos para apilarse uno sobre el otro en los recipientes catalíticos.
7. El aparato según una o más de las reivindicaciones anteriores, donde una serie de pares de desviadores de flujo hechos de materiales de altas aleaciones están conformados adecuadamente e interpuestos entre dos o más elementos catalizadores para obtener un componente radial del flujo de gas y para aumentar la velocidad media del gas.
8. El aparato según cada una de las reivindicaciones anteriores, donde las especies activas de catalizador se seleccionan de metales de transición y pueden ser una combinación de dos o más metales.
9. El aparato según cada una de las reivindicaciones anteriores, donde las especies activas del catalizador están químicamente soportadas sobre compuestos oxídicos.
10. El aparato según cada una de las reivindicaciones anteriores, donde la especie activa del catalizador y el soporte químico se depositan sobre el dispositivo mecánico en forma de una capa delgada.
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