Un aparato para reacciones químicas en flujo continuo, que comprende una pluralidad de zonas de reacción tubulares dentro de un recipiente para transferencia de calor,

que tiene por lo menos una zona de transferencia de calor, teniendo cada una de dichas zonas de transferencia de calor una entrada para el fluido de transferencia de calor y una salida para el fluido de transferencia de calor, teniendo cada una de dichas zonas de reacción tubulares un tramo longitudinal, una primera entrada para cargas de alimentación de fluidos en un primer extremo, una salida de productos en un segundo extremo y un conducto interior que se extiende longitudinalmente dentro de dicha zona de reacción tubular, teniendo dicho conducto interior una segunda entrada para cargas de alimentación de fluidos y una pluralidad de inyectores espaciados a lo largo del tramo longitudinal de dicha zona de reacción tubular y estando cada uno de dichos inyectores adaptado para introducir una cantidad controlada de un segundo reaccionante fluido dentro de dicha zona de reacción tubular, comprendiendo dicho conducto además unos medios de control de la caída de presión situados en dicho conducto próximos a por lo menos uno de dichos inyectores

Un aparato para la adición optimizada y controlada de reaccionantes en sistemas de reacción en flujo continuo, y métodos para utilizarlo.

Antecedentes del invento

El presente invento se refiere a un mejorado aparato para reacciones químicas en flujo continuo, en el que se optimiza la introducción de por lo menos una carga de alimentación de reaccionantes dentro de la zona de reacción. El invento se refiere también a unas reacciones químicas mejoradas que se consiguen usando el aparato para reacciones químicas en flujo continuo.

Se hace referencia a varias publicaciones en esta solicitud. Las mencionadas referencias describen el estado de la técnica al que pertenece este invento, y se incorporan a la presente por su referencia.

Un procedimiento de deshidrogenación oxidante, o de oxidación parcial, es una conversión química en una sola etapa de hidrocarburos ligeros en olefinas y ácidos carboxílicos. El procedimiento ofrece potencialmente muchas ventajas con relación al craqueo y a la deshidrogenación pura, que presentan un gasto de capital extremadamente intenso y un consumo intenso de energía. La conversión química de hidrocarburos saturados en olefinas y ácidos carboxílicos sobre ciertos catalizadores a bajas temperaturas fue descrita por Thorstienson y colaboradores, en un informe publicado en la revista Journal of Catalysis, volumen 52, páginas 116-132 (1978).

La patente de los EE.UU. nº 4.250.346 describe un procedimiento para la deshidrogenación oxidante de etano para formar etileno, sugiriendo diferentes sistemas de catalizadores para bajas temperaturas. El documento de solicitud de patente europea nº EP 0.518.548 A2 describe un procedimiento para preparar ácido acético, que comprende oxidar etano con oxígeno molecular en una zona de reacción que está a una presión de por lo menos 6,89 bares manométricos, mientras que los reaccionantes están en contacto con un catalizador sólido que contiene óxidos de vanadio y fósforo (sistema de VPO, acrónimo de vanadium and phosphorous oxides).

La reacción de deshidrogenación oxidante, sin embargo, plantea ciertos problemas tales como: (a) la eliminación del calor de reacción exotérmica, (b) la posible fuga asociada de las temperaturas, (c) el control de la selectividad para el producto deseado y (d) la limitación de la formación de productos secundarios oxigenados indeseados y de óxidos de carbono.

Otro problema, que está asociado con los procedimientos de oxideshidrogenación, así con los procedimientos de oxidación, es la limitación establecida para las relaciones de alimentación del agente oxidante a la de los hidrocarburos, que es impuesta por la restricción de la formación de mezclas explosivas. Este problema compromete la estabilidad del procedimiento para conseguir una optimización de las composiciones de alimentación, que satisfacen los requisitos estequiométricos y cinéticos de la reacción, y además se eviten unas composiciones que puedan conducir a una autoinflamación, una deflagración y una detonación.

Estos problemas han sido afrontados en un cierto número de patentes. Cada una de ellas intentó superar una o más de las dificultades arriba mencionadas, proponiendo un sistema modificado de reactores o una diferente disposición de los reactores.

La patente de los EE.UU. nº 4.899.003, expedida a Union Carbide, se refiere a establecer de múltiples etapas al sistema de reactores, en donde un gas de alimentación que comprende etano y oxígeno es convertido sobre un catalizador de oxideshidrogenación para dar un producto gaseoso, que comprende etileno, ácido acético, agua, etano y óxidos de carbono. El producto gaseoso procedente de cada etapa (que no sea la última etapa) es enfriado, y se separa una parte del ácido acético y del agua y se añade oxígeno antes de hacer pasar la corriente gaseosa de productos a la siguiente etapa de reacción. El contenido total de oxígeno en la corriente de alimentación a cualquiera de los reactores era mantenido por debajo de 6 por ciento en moles con respecto a la corriente gaseosa de entrada total en esa etapa.

La patente de los EE.UU nº 5.583.240 expedida a SRI, se refiere a un reactor con membranas porosas para proporcionar la adición continua de un reaccionante a todo lo largo del reactor y mezclarlo en el volumen total del reactor con el fin de reducir al mínimo o eliminar unos altos gradientes de concentraciones locales y unos sitios calientes. El otro reaccionante es hecho circular a través del interior del tubo de permeación, que contiene unos elementos mezcladores. Se reivindicaba que estos elementos mezcladores aumentan el rendimiento del producto deseado por aumento de las velocidades de transferencia de calor y de masa.

El documento de solicitud de patente europea nº EP 546.677 A1 se refiere a un lecho fluidizado para la oxidación de etano con el fin de formar ácido acético. El procedimiento descrito incluye tres operaciones claves: (1) enfriar el efluente gaseoso procedente de la zona de reacción; (2) separar la mayor parte del ácido acético en una forma líquida a partir de los gases efluentes, dejando una corriente gaseosa que contiene casi la totalidad del óxido de carbono contenido en el efluente; (3) purgar una pequeña porción de dicha corriente gaseosa y reciclar la mayor parte de la corriente gaseosa como una parte de la alimentación a la zona de reacción. Se pretende que la purga impida la acumulación de óxidos de carbono en la zona de reacción, mientras que el reciclamiento sirve para mantener una alta proporción de óxidos de carbono en los gases de la zona de reacción, ayudando de esta manera a moderar el efecto elevador de las temperaturas que presenta la reacción de oxidación altamente exotérmica.

La patente de los EE.UU. nº 5.723.094 se refiere a un diseño de reactor químico que proporciona unas mejoradas condiciones de micro-mezcladura y unas reducidas zonas localizadas de concentración con el fin de aumentar la selectividad de la reacción para los productos deseados. El diseño incluye un pequeño tubo capilar colocado dentro y a lo largo del tramo longitudinal de unos tubos de circulación colocados en un reactor con envoltura, y uno o más distribuidores para distribuir un primer reaccionante dentro de los tubos de circulación y un segundo reaccionante dentro de los tubos capilares.

La publicación de patente europea nº 0.532.325 se refiere a un método y a un aparato para la producción de óxido de etileno. La publicación de patente europea nº 0.383.224 se refiere a un reactor del tipo de envoltura y tubo y a un método para usarlo.

El documento EP-A-0.330.751 describe un reactor en el que se produce un gas de síntesis.

Sería deseable proporcionar un sistema de reacciones químicas en flujo continuo, que proporcione una optimización de las composiciones de alimentación a lo largo de una parte sustancial de la zona de reacción y que satisfaga los requisitos estequiométricos y cinéticos de la reacción, mientras que se mantenga a la mezcla de reacción dentro de las restricciones para la formación de mezclas explosivas y evite de esta manera unas mezclas de reaccionantes que puedan conducir a una autoinflamación, una deflagración y una detonación.

Objetos del invento

Un objeto del invento es superar las deficiencias arriba identificadas.

Otro objeto del invento es proporcionar un aparato mejorado para reacciones químicas en flujo continuo y un método para usarlo.

Otro objeto del invento es proporcionar un mejorado sistema de reacciones químicas en flujo continuo, en el que una cantidad controlada de por lo menos un reaccionante fluido es introducida dentro de la zona de reacción en más de un lugar.

Otro objeto del invento es proporcionar una mejorada reacción química en flujo continuo, en la que una cantidad optimizada y controlada de por lo menos un reaccionante fluido se introduce dentro de la zona de reacción en más de un lugar.

Otro objeto adicional del invento es proporcionar un mejorado sistema químico en flujo continuo para realizar una reacción catalítica, en el que por lo menos un reaccionante fluido se introduce dentro de la zona de reacción en más de un lugar.

Todavía otro objeto adicional del invento es proporcionar un aparato en el que uno o más de los reaccionantes se alimente(n) de una manera distribuida y optimizada para cumplir ciertos requisitos de seguridad y de rendimiento.