METODO Y APARATO PARA OBTENER UNA VELOCIDAD DE PRODUCCION MEJORADA DE REACCIONES QUIMICAS TERMICAS.

Proceso para la conversión catalítica de al menos un reactivo en una reacción química térmica,

excluyendo una oxidación profunda, que comprende:

pasar al menos un reactivo a al menos una cámara de reacción;

dicha cámara de reacción comprendiendo un catalizador que cataliza la reacción de dicho al menos un reactivo;

transferir calor a o desde dicha al menos una cámara de reacción a al menos un intercambiador térmico; y

obtener al menos un producto de dicha cámara de reacción;

en donde el tiempo de contacto del reactivo con el catalizador es de menos de 0.3 segundos y la caída de presión a través de la cámara de reacción es de menos de 15 psig (103 KPa);

caracterizado por el hecho de que dicha fase de transferir calor, a ritmo estacionario, transfiere al menos 0.6 W/cc de volumen total del reactor, donde el volumen total del reactor se define como la suma del volumen de la(s) cámara(s) de reacción y cámara(s) del intercambiador térmico incluyendo el volumen de las paredes de la cámara

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/US01/02509.

Solicitante: BATTELLE MEMORIAL INSTITUTE.

Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.

Dirección: PACIFIC NORTHWEST DIVISION, INTELLECTUAL PROPERTY SERVICES, P.O. BOX 999,RICHLAND, WA 99352.

Inventor/es: WANG, YONG, WEGENG, ROBERT, S., TONKOVICH,ANNA,LEE,Y, GAO,YUFEI.

Fecha de Publicación: .

Fecha Concesión Europea: 14 de Abril de 2010.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • B01J12/00P
  • B01J19/00R
  • B01J8/02H
  • C01B3/16 SECCION C — QUIMICA; METALURGIA.C01 QUIMICA INORGANICA.C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 3/00 Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J). › con catalizadores.
  • C01B3/38 C01B 3/00 […] › con catalizadores.
  • C01B3/38B
  • F28D7/00 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F28 INTERCAMBIO DE CALOR EN GENERAL.F28D INTERCAMBIADORES DE CALOR, NO PREVISTOS EN NINGUNA OTRA SUBCLASE, EN LOS QUE LOS MEDIOS QUE INTERCAMBIAN CALOR NO ENTRAN EN CONTACTO DIRECTO (materiales de transferencia de calor, de intercambio de calor o de almacenamiento de calor C09K 5/00; calentadores de fluidos que tienen medios para producir y transferir calor F24H; hornos F27; partes constitutivas de los aparatos intercambiadores de calor de aplicación general F28F ); APARATOS O PLANTAS DE ACUMULACION DE CALOR EN GENERAL. › Aparatos cambiadores de calor que tienen conjuntos fijos de canalizaciones tubulares para los dos medios que intercambian calor, estando cada uno de los medios en contacto con un lado de la pared de la canalización.

Clasificación PCT:

  • B01J12/00 SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES.B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL.B01J PROCEDIMIENTOS QUIMICOS O FISICOS, p. ej. CATALISIS, QUIMICA DE LOS COLOIDES; APARATOS ADECUADOS (procedimientos o aparatos para usos específicos, ver las clases correspondientes a los procedimientos o al equipo, p. ej. F26B 3/08). › Procedimientos químicos generales haciendo reaccionar medios gaseosos con medios gaseosos; Equipos especialmente adaptados a este efecto (B01J 3/08, B01J 8/00, B01J 19/08 tienen prioridad).
  • B01J8/02 B01J […] › B01J 8/00 Procedimientos químicos o físicos en general, llevados a cabo en presencia de fluidos y partículas sólidas; Aparatos para tales procedimientos (procedimientos o dispositivos para la granulación de sustancias B01J 2/00; hornos F27B). › con partículas inmóviles, p. ej. en lechos fijos.
  • C01B3/38 C01B 3/00 […] › con catalizadores.

Clasificación antigua:

  • B01J12/00 B01J […] › Procedimientos químicos generales haciendo reaccionar medios gaseosos con medios gaseosos; Equipos especialmente adaptados a este efecto (B01J 3/08, B01J 8/00, B01J 19/08 tienen prioridad).
  • B01J8/02 B01J 8/00 […] › con partículas inmóviles, p. ej. en lechos fijos.
  • C01B3/38 C01B 3/00 […] › con catalizadores.
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METODO Y APARATO PARA OBTENER UNA VELOCIDAD DE PRODUCCION MEJORADA DE REACCIONES QUIMICAS TERMICAS.

Fragmento de la descripción:

Método y aparato para obtener una velocidad de producción mejorada de reacciones químicas térmicas.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método y aparato para reacciones químicas térmicas. El método y aparato puede proporcionar un índice mejorado de reacción para las reacciones químicas térmicas.

Antecedentes de la invención

Las reacciones químicas térmicas son aquellas reacciones químicas que producen calor (exotérmicas) o lo consumen (endotérmicas). Ejemplos de reacciones químicas térmicas incluyen las reacciones de conversión del hidrocarburo tal como el reformado con vapor, reacciones del cambio de gas de agua y la combustión. Estas reacciones bien conocidas, normalmente se llevan a cabo en presencia de un catalizador a temperaturas de hasta aproximadamente 1300ºC. Debido a que la cinética intrínseca de una reacción química térmica puede ser mucho más rápida que el índice de transferencia térmica entre el recipiente de reacción y el disipador térmico, fuente o medio ambiente térmico, el índice actual de producción del producto (es decir, el nivel observado) es más lento que el nivel intrínseco. La cinética intrínseca significa el nivel en el que se podrían formar teóricamente en la superficie del catalizador.

Índices de producción limitada pueden resultar de un tiempo de permanencia más largo que es típicamente de segundos a minutos en recipientes convencionales de reacción química térmica. Como se define de forma convencional, el periodo de permanencia es igual al volumen de la zona de reacción dividido por el índice de flujo volumétrico de entrada de los reactivos en la temperatura y presión del sistema de reacción. La zona de reacción es el volumen total del catalizador y área circundante a través de la cual fluyen los reactivos y productos.

Un ejemplo de estos índices de producción limitada se pueden ver en la reacción del cambio de gas de agua, que de forma convencional se llevan a cabo en reactores de lecho fijo. En la reacción de cambio de gas de agua, el monóxido de carbono y el agua se convierten en dióxido de carbono e hidrógeno. De forma convencional, esta reacción sufre de tiempos de permanencia de segundos múltiples (un impedimento cinético) cuando se lleva a cabo en reactores de lecho fijo. La cinética teórica sugiere que los tiempos de permanencia en el orden de milisegundos se podrían, teóricamente, obtener. Hay dos aspectos de retardo cinético de los reactores convencionales. El primero es una limitación de la difusión según los reactivos se difunden dentro y fuera de un granulado poroso de soporte de catalizador y el segundo es una limitación de transferencia térmica que es una combinación de parámetros de transferencia térmica (conductibilidad térmica y longitud) de soportes de catalizador y geometría de reactor global (forma, tamaño, y distancia al intercambiador térmico externo). Debido a que la reacción de cambio del gas de agua es crítica para un sistema de tratamiento de combustible multi-reactor que soporta la producción de energía distribuida a través del uso de una célula energética, hay una necesidad para un reactor más pequeño y más rápido de cambio del gas de agua.

Otro ejemplo de una reacción química térmica está en el reactor del reformado con vapor de metano convencional que produce gas de síntesis a un periodo de permanencia media de varios segundos y con un factor de eficacia de 0.01 a 0.05 según lo informa Adris, A., Pruden, B., Lim, C., J. Grace, 1996, "On the reported attempts to radically improve the performance of the steam metane reforming reactor", Canadian Journal of Chemical Engineering, 74, 177-186. En una operación industrial típica, la proporción de metano a vapor se ejecuta a 3:1 para impedir la formación de coque. Esfuerzos para mejorar la transferencia térmica entre el recipiente de reacción para esta reacción endotérmica y la fuente térmica, han hecho sólo mejoras modestas en el índice de producción del producto.

Las reacciones térmicas han sido durante mucho tiempo, y continúan siendo, realizadas en volúmenes enormes en escalas de producción que requieren inversiones de capital muy grandes, típicamente mayores de textdollar100 millones. De modo no sorprendente, han habido esfuerzos extensivos, durante un largo periodo de tiempo, dirigidos a mejorar la velocidad y eficiencia de estas reacciones. A pesar de estos intentos, permanece una necesidad de un método y aparato que aumenta el índice de transferencia térmica entre el recipiente de reacción y el disipador o fuente térmicos y así aproximarse al índice teorético cinético intrínseco de reacción y producción.

WO 00/06295 divulga métodos y aparatos para obtener un índice de producción mejorado por volumen de la cámara de reacción de una cámara de reacción con una entrada y una salida para una reacción química térmica, en donde una proporción del índice mejorado de la producción por volumen de la cámara de reacción a un índice convencional de producción por volumen de la cámara convencional de reacción para la reacción química térmica es de al menos 2. Por ejemplo, para el reformado con vapor, el tiempo de permanencia está en el orden de segundos mientras que con la invención de WO 00/06295, el tiempo de permanencia es menos por un factor de 2, en el orden de milisegundos a decenas o cientos de milisegundos. En un aspecto, la divulgación incluye:

(a) un inserto poroso dentro del volumen de la cámara de reacción, en donde un flujo reactivo pasa sustancialmente completamente a través del inserto poroso en donde el volumen de la cámara de reacción con el inserto poroso tiene una porosidad media de menos de 1 y una distancia de transporte de masa de los reactivos a un emplazamiento catalizador no mayor de 3 mm;
(b) el volumen de la cámara de reacción con una longitud paralela a una masa de flujo reactiva, la longitud de menos de o igual a 6 pulgadas, y con una altura (una distancia térmica desde el disipador térmico a la fuente de calor) menor o igual a 2 pulgadas, así transfiriendo calor de la reacción a un índice mejorado de transferencia de calor a través del inserto poroso; y
(c) una cámara de transferencia térmica en contacto térmico con el volumen de la cámara de reacción, que sirve como un disipador o fuente térmicos, la cámara de transferencia térmica a dicho índice mejorado de transferencia térmica a través de una pared entre la cámara de transferencia térmica y la cámara de reacción, obteniendo así el índice mejorado de producción por volumen de la cámara de reacción para la reacción química térmica en donde una proporción del índice mejorado de la producción por volumen de la cámara de reacción a un índice convencional de producción por volumen de la cámara de reacción convencional para la reacción química térmica es de al menos 2.

Estas características se ha encontrado que cooperan con la cinética de la reacción en términos de la transferencia térmica a un índice suficiente como para evitar el impedimento sustancial de la cinética. Estas características son eficaces para ambas reacciones químicas térmicas catalíticas y no catalíticas. Para las reacciones químicas catalíticas, la adición de un estrato fino de catalizador (<150 micras, µm, más preferiblemente menos de 50 µm) sobre el inserto poroso reduce sustancialmente las trayectorias de difusión de los reactivos a emplazamientos catalizadores en comparación con las graves limitaciones de la difusión reactiva dentro de los granulados cerámicos (>1 mm) como en los sistemas convencionales. Así para reacciones químicas térmicas catalíticas, ambos impedimentos cinéticos están sustancialmente reducidos permitiendo la realización de la cinética de la reacción teorética o casi teorética. Más específicamente, un reactor de cambio del gas de agua hecho según WO 00/06295 tiene una 1/10 parte a 1/100 parte del tamaño del hardware convencional de procesamiento para la misma salida de producción.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona además métodos y aparatos (recipientes) como se establece en las reivindicaciones más adelante. Estos proporcionan un índice de transferencia térmica de una cámara de reacción a través de una pared a una cámara de transferencia térmica (reacción exotérmica) o proporcionan calor de una cámara de transferencia térmica a través de una pared a una cámara de reacción (reacción endotérmica) a un índice de al menos 0.6 W/cc de volumen total...

 


Reivindicaciones:

1. Proceso para la conversión catalítica de al menos un reactivo en una reacción química térmica, excluyendo una oxidación profunda, que comprende:

pasar al menos un reactivo a al menos una cámara de reacción;
dicha cámara de reacción comprendiendo un catalizador que cataliza la reacción de dicho al menos un reactivo;
transferir calor a o desde dicha al menos una cámara de reacción a al menos un intercambiador térmico; y
obtener al menos un producto de dicha cámara de reacción;
en donde el tiempo de contacto del reactivo con el catalizador es de menos de 0.3 segundos y la caída de presión a través de la cámara de reacción es de menos de 15 psig (103 KPa);
caracterizado por el hecho de que dicha fase de transferir calor, a ritmo estacionario, transfiere al menos 0.6 W/cc de volumen total del reactor, donde el volumen total del reactor se define como la suma del volumen de la(s) cámara(s) de reacción y cámara(s) del intercambiador térmico incluyendo el volumen de las paredes de la cámara.

2. Proceso de la reivindicación 1, en donde la al menos una cámara de intercambiador térmico comprende al menos un canal de intercambio térmico, la dimensión más pequeña de dicho canal con un grosor de desde 100 µm a 10 mm.

3. Proceso de la reivindicación 1 o 2, que es un proceso para el reformado con vapor de un hidrocarburo, en donde el al menos un reactivo comprende gas de hidrocarburo y vapor; el catalizador es un catalizador que cataliza la reacción de dicho gas de hidrocarburo y gas de agua para producir una mezcla gaseosa que comprende al menos monóxido de carbono y gas hidrógeno; y en donde dicho proceso produce más de 0.01 SLPM de gas hidrógeno por centímetro cúbico de volumen del reactor, donde el volumen del reactor se define como la suma del volumen de la(s) cámara(s) de reacción y cámara(s) de intercambiador térmico incluyendo el volumen de las paredes de la cámara.

4. Proceso de cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en donde dicha cámara de reacción tiene una longitud de menos de o igual a 6 pulgadas (152 mm) y una altura de menos de o igual a 2 pulgadas (50.8 mm); y dicho inserto de catalizador poroso comprende una espuma de metal poroso que tiene celdas abiertas que varían de 20 ppi a 3000 ppi (7.8 ppcm a 1180 ppcm).

5. Proceso de cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en donde dicha fase de transferencia térmica, a ritmo estacionario, transfiere por encima de 1 W/cc del volumen total del reactor.

6. Proceso de cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en donde dicha fase de transferencia térmica, a ritmo estacionario, transfiere entre 5 y 250 W/cc de volumen total del reactor.

7. Proceso de cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en donde dicha fase de transferencia térmica, a ritmo estacionario, transfiere entre 10 y 100 W/cc de volumen total del reactor.

8. Proceso de cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en donde dicha conversión catalítica se selecciona del grupo que consiste en: acetilación, reacciones de adición, alquilación, desalquilación, hidrodesalqilación, alquilación reductiva, aminación, aromatización, arilación, reformado autotérmico, carbonilación, descarbonilación, carbonilación reductiva, carboxilación, carboxilación reductiva, acoplamiento reductivo, condensación, craqueo, hidrocraqueo, ciclización, ciclooligomerización, deshalogenación, dimerización, epoxidación, esterificación, intercambio, Fischer-Tropsch, halogenación, hidrohalogenation, homologación, hidratación, deshidratación, hidrogenación, deshidrogenación, hidrocarboxilación, hidroformilación, hidrogenólisis, hidrometalación, hidrosilación, hidrólisis, hidrotratado, hidrodesulferización/ hidrodenitrogenación (HDS/HDN), isomerización, metanación, síntesis del metanol, metilación, desmetilación, metátesis, nitración, oxidación, oxidación parcial, polimerización, reducción, reformado con vapor y dióxido de carbono, sulfonación, telomerización, transesterificación, trimerización, cambio del gas de agua (WGS), y de cambio del gas de agua inverso (RWGS).

9. Proceso de cualquiera de las precedentes reivindicaciones, en donde la reacción es la reacción del cambio del gas de agua.

10. Proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde la reacción es reformada con vapor de un hidrocarburo.

11. Reactor para la conversión catalítica de al menos un reactivo en una reacción química térmica, que comprende:

al menos una cámara de reacción;
en donde dicha cámara de reacción comprende un inserto de catalizador poroso;
al menos un intercambiador térmico en contacto térmico con dicha cámara de reacción;
en donde dicha cámara de reacción tiene una altura de menos de o igual a 2 pulgadas (50.8 mm); y
en donde dicho al menos un intercambiador térmico y dichas al menos una cámara de reacción se configura de manera que, durante la operación en estado estacionario, al menos 0.6 W de calor por cc de volumen total del reactor se puede transferir entre dicho al menos un intercambiador térmico y dicha al menos una cámara de reacción, en donde la al menos una cámara de intercambiador térmico comprende al menos un canal de intercambiador térmico, la dimensión más pequeña de dicho canal que tiene un grosor desde 100 µm a 10 mm.

12. Reactor según la reivindicación 11, en donde dicha al menos una cámara de reacción se configura de manera que, durante la operación en estado estacionario, al menos 1 W de calor por cc de volumen total del reactor se puede transferir entre dicho al menos un intercambiador térmico y dicha al menos una cámara de reacción.

13. Reactor según la reivindicación 11, en donde dicha al menos una cámara de la reacción se configura de manera que, durante la operación en estado estacionario, se puede transferir entre 5 y 250 W de calor por cc de volumen total del reactor entre dicho al menos un intercambiador térmico y dicha al menos una cámara de reacción.

14. Reactor según la reivindicación 11, en donde dicha al menos una cámara de reacción se configura de manera que, durante la operación en estado estacionario, se puede transferir entre 10 y 100 W de calor por cc de volumen total del reactor entre dicho al menos un intercambiador térmico y dicha al menos una cámara de reacción.


 

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