MÉTODO Y REACTOR PARA LA PREPARACIÓN DE METANOL.

La presente invención se refiere a la producción industrial de metanol mediante conversión de un gas de síntesis que contiene hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono, en presencia de un catalizador de síntesis de metanol. La invención consiste, en particular, en un método y un reactor para mejorar la producción de metanol con respecto a la limitación de equilibrio y, con ello, reducir o eliminar la recirculación del gas de síntesis mediante la separación in situ de metanol a medida que se produce a partir del gas de síntesis. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La preparación de metanol se basa en las siguientes tres reacciones en equilibrio: (1) CO + 2 H2 CH 3OH (2) CO + 3 H2 CH 3OH + H 2O (3) CO + H2O CO 2 + H 2 Debido al equilibrio, solamente una fracción del gas de síntesis se convierte en metanol y la parte restante del gas de síntesis se ha de reciclar. La separación in situ de metanol a partir del gas de síntesis se describe en la patente de EE.UU. nº 4.731.387. En un reactor de flujo por goteo gas-sólido, el metanol se separa mediante un material de absorción y, con ello, mejora el estado de equilibrio. Después de haber pasado por el reactor, el metanol se desorbe del material de absorción, y éste se recicla a la entrada del reactor. Los inconvenientes de un sistema de este tipo se encuentran en la complejidad del sistema, lo que resulta en dificultades operativas y en un mayor coste de inversión. Otro modo de superar las limitaciones de equilibrio se describe en la patente de EE.UU. nº 5.262.443, en que el reactor catalítico se hace funcionar a una temperatura y presión a las que una parte del metanol producido se condensa en el lecho catalítico. Empleando esta invención, es posible reducir o eliminar el costoso reciclaje del gas de síntesis. Sin embargo, existen dos inconvenientes al actuar de esta manera. Con el fin de actuar por debajo del punto de rocío del gas, la temperatura del catalizador se ha de reducir por debajo del nivel de temperatura óptima para la reacción catalítica. La baja temperatura resulta en una actividad más baja, lo cual aumenta el volumen necesario de catalizador y el coste del reactor. El segundo problema implica la condensación de metanol en el catalizador poroso. El gas de síntesis se ha de difundir dentro del catalizador a través del sistema de poros para iniciar la reacción catalítica. Si los poros se llenan con metanol, la velocidad de difusión y la actividad catalítica se reducen fuertemente. Estos dos problemas reducen varias veces la actividad catalítica, en comparación con la actividad obtenida en el procedimiento de síntesis convencional de metanol. Como consecuencia de la actividad reducida, se ha de incrementar en tamaño el reactor de condensación, dando como resultado reactores más caros que los reactores convencionales con reciclaje del gas de síntesis. SUMARIO DE LA INVENCIÓN ES 2 368 027 T3 La presente invención proporciona, en general, un diseño mejorado de un método catalítico y un reactor para la producción de metanol en condiciones de equilibrio, con lo que a medida que se forma metanol, éste se separa de la fase gaseosa en la fase líquida dentro del reactor, sin reducir la actividad catalítica del catalizador de metanol. Esto se consigue ajustando la temperatura de un agente refrigerante líquido que se encuentra en contacto indirecto con las partículas de catalizador y proporcionando una relación específica de volumen de lecho de catalizador a superficie específica de refrigeración. Con ello, a medida que se forma el metanol en la fase gaseosa tiene lugar una condensación del mismo en la mayoría de la superficie de refrigeración uniformemente distribuida dentro del reactor y en todo caso dentro de una zona muy limitada del lecho del catalizador. Más particularmente, la invención proporciona un método para la preparación de metanol, que comprende las etapas de hacer reaccionar un gas de síntesis que contiene hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono en un reactor de lecho fijo de partículas de catalizador de síntesis de metanol que son indirectamente enfriadas con un 2 ES 2 368 027 T3 agente refrigerante, y condensar metanol a medida que se forma sobre una superficie de refrigeración, ajustando la presión del agente refrigerante para obtener un punto de ebullición (TBW punto de ebullición del agua) del agente refrigerante entre 60ºC y 170ºC, y mantener la temperatura del catalizador por encima del punto de rocío del metanol al ajustar el área de la superficie de refrigeración (ACOOL) en el punto de ebullición del agente refrigerante, de modo que la relación del volumen aparente de catalizador depositado (VCAT) a la superficie específica de refrigeración (ACOOL) oscile entre 0,0125 m y 0,125 m. Un método adicional de la invención para la preparación de metanol comprende las etapas de hacer reaccionar un gas de síntesis con hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono en un reactor de lecho fijo de partículas de catalizador de síntesis de metanol que están siendo indirectamente enfriadas con un agente refrigerante, y condensar metanol a medida que se prepara sobre una superficie de refrigeración, ajustando la presión del agente refrigerante para proporcionar un punto de ebullición (TBW) del agente refrigerante entre 60ºC y 170ºC, y mantener la temperatura del catalizador por encima del punto de rocío del metanol, ajustando el área de la superficie de refrigeración (ACOOL) de modo que la relación (Z) de volumen aparente de catalizador depositado al producto del área de la superficie de refrigeración (ACOOL) y el diámetro equivalente del catalizador (DEQ) oscile entre 2,0 y 30, en que el diámetro equivalente del catalizador se calcula por medio de las siguientes ecuaciones: DEQ1 = (6 * (volumen de una partícula del catalizador de síntesis de metanol [m 3 ] / 3,14) 0,33 con partículas de catalizador del mismo tamaño, o DEQ 2 = ( w(i) * (DEQ(i) 3 ) ) 0,33 , en que w(i) es la fracción en peso de partículas de catalizador con un diámetro equivalente de DEQ (i) [m]. En una realización preferida de la invención, la temperatura de las partículas de catalizador de metanol se mantiene por encima del punto de rocío del metanol mediante un agente calefactor que incluye agua a presión con un punto de ebullición entre 220ºC y 280ºC, vapor de agua con un punto de rocío entre 220ºC y 280ºC o una mezcla de los mismos, haciendo pasar el agente calefactor a través de medios calefactores internos con una superficie específica tal que la relación de la superficie de los medios calefactores a la superficie de la zona de refrigeración (ACOOL) oscile entre 0,3 y 3,0. Realizaciones adicionales del método de la invención se describen en las reivindicaciones 12-16. La invención proporciona, además, un reactor de metanol que es útil en el método de acuerdo con la invención. En un aspecto de la invención, un reactor de metanol comprende, dentro de una carcasa común, un lecho fijo de partículas de catalizador de metanol y medios refrigerantes, destinados para enfriar indirectamente un gas de síntesis de metanol con un agente refrigerante, en donde la relación del volumen aparente de catalizador depositado a la superficie específica de refrigeración (VCAT / ACOOL) oscile entre 0,0125 m y 0,125 m en un punto de ebullición del agente refrigerante entre 60ºC y 170ºC. En un aspecto adicional de la invención, un reactor de metanol comprende, dentro de una carcasa común, un lecho fijo de catalizador de metanol y medios refrigerantes, destinados a enfriar indirectamente un gas de síntesis de metanol con un agente refrigerante, en donde la relación (Z) de volumen aparente de catalizador a producto de multiplicación del área de la superficie de refrigeración con un diámetro equivalente del catalizador (DEQ) oscila entre 2,0 y 30 en un punto de ebullición del agente refrigerante entre 60ºC y 170ºC, en que el diámetro equivalente del catalizador se calcula por medio de la siguiente ecuación: DEQ1 = (6 * (volumen de una partícula del catalizador de síntesis de metanol [m 3 ] / 3,14) 0,33 con partículas de catalizador del mismo tamaño y con partículas de catalizador de distinto tamaño, por medio de la siguiente ecuación: DEQ2 = ( w(i) * (DEQ(i) 3 ) ) 0,33 , en que w(i) es la fracción en peso de partículas de catalizador con un diámetro equivalente de DEQ (i) [m]. Una realización preferida de los reactores de la invención arriba descritos comprende además, dentro de la carcasa común, medios calefactores, destinados a mantener indirectamente la temperatura del catalizador de metanol por encima del punto de rocío del metanol con un agente calefactor, en donde la relación de la superficie de los medios calefactores a los medios refrigerantes oscila entre 0,3 y 3,0. 3 Realizaciones adicionales del método de la... [Seguir leyendo]

1.- Un método para preparar metanol, que comprende las etapas de hacer reaccionar un gas de síntesis que contiene hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono en un reactor de lecho fijo de partículas de catalizador de síntesis de metanol que son indirectamente enfriadas con un agente refrigerante, y condensar metanol a medida que se forma sobre una superficie de refrigeración, ajustando la presión del agente refrigerante para obtener un punto de ebullición (TBW) del agente refrigerante entre 60ºC y 170ºC, y mantener la temperatura del catalizador por encima del punto de rocío del metanol al ajustar el área de la superficie de refrigeración (ACOOL) de modo que la relación (Z) del volumen aparente de catalizador depositado (VCAT) al producto de multiplicación del área de la superficie de refrigeración (ACOOL) y el diámetro equivalente del catalizador (DEQ) oscile entre 2,0 y 30, en que el diámetro equivalente del catalizador se calcula por medio de las siguientes ecuaciones: 22 DEQ1 = (6 * (volumen de una partícula del catalizador de síntesis de metanol [m 3 ] / 3,14) 0,33 con partículas de catalizador del mismo tamaño, o DEQ2 = ( w(i) * (DEQ(i) 3 ) ) 0,33 , en que: w(i) es la fracción en peso de partículas de catalizador con un diámetro equivalente de DEQ (i) [m]. 2.- Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la temperatura de las partículas de catalizador de metanol se mantiene por encima del punto de rocío del metanol mediante un agente calefactor que incluye agua presurizada con un punto de ebullición entre 220ºC y 280ºC, vapor de agua con un punto de rocío entre 220ºC y 280ºC o una mezcla de los mismos, haciendo pasar el agente calefactor a través de medios calefactores internos que tienen una superficie específica de manera que la relación de la superficie de los medios calefactores a la superficie del área de refrigeración (ACOOL) oscile entre 0,3 y 3,0. 3.- Un método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el punto de ebullición del agente refrigerante oscila entre 100ºC y 160ºC, y la relación Z oscila entre 2,0 y 15. 4.- Un reactor de metanol para uso en un método de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende dentro de una carcasa común, un lecho fijo de un catalizador de metanol y medios de refrigeración destinados a enfriar indirectamente un gas de síntesis de metanol en reacción con un agente refrigerante, en donde la relación (Z) de volumen aparente de catalizador al producto de multiplicación del área de la superficie de refrigeración de los medios refrigerantes con un diámetro equivalente del catalizador (DEQ) oscila entre 2,0 y 30, en donde el diámetro equivalente del catalizador se calcula por medio de la siguiente ecuación: DEQ1 = (6 * (volumen de una partícula del catalizador de síntesis de metanol [m 3 ] / 3,14) 0,33 con partículas de catalizador del mismo tamaño y con partículas de catalizador de diferente tamaño por medio de la siguiente ecuación: DEQ 2 = ( w(i) * (DEQ(i) 3 ) ) 0,33 , ES 2 368 027 T3 en que: w(i) es la fracción en peso de partículas de catalizador con un diámetro equivalente de DEQ (i) [m]. 5.- Un reactor de metanol de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende, además, medios calefactores destinados a mantener indirectamente la temperatura del catalizador de metanol con un agente calefactor, en donde la relación de superficie de la superficie de los medios calefactores a los medios refrigerantes oscila entre 0,3 y 3,0. 6.- Un reactor de metanol de acuerdo con la reivindicación 4, en donde la relación Z oscila entre 2 y 15. 7.- Un reactor de metanol de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, que comprende, además, un equipo estabilizador de película interna adyacente a la superficie de los medios de refrigeración. 8.- Un método para preparar metanol, que comprende las etapas de hacer reaccionar un gas de síntesis que contiene hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono en un reactor de lecho fijo de partículas de catalizador de síntesis de metanol que son indirectamente enfriadas con un agente refrigerante, y condensar metanol a medida que se forma sobre una superficie de refrigeración, ajustando la presión del agente refrigerante para proporcionar una temperatura media (TBW) del agente refrigerante entre 20ºC y 170ºC, y mantener la temperatura del catalizador por encima del punto de rocío del metanol al ajustar el área de la superficie de refrigeración (ACOOL) de modo que la relación (Z) del volumen aparente de catalizador depositado al producto del área de la superficie de refrigeración (ACOOL) y el diámetro equivalente del catalizador (DEQ) oscile entre 2,0 y 30, en que el diámetro equivalente del catalizador se calcula por medio de las siguientes ecuaciones: DEQ1 = (6 * (volumen de una partícula del catalizador de síntesis de metanol [m 3 ] / 3,14) 0,33 con partículas de catalizador del mismo tamaño, o DEQ 2 = ( w(i) * (DEQ(i) 3 ) ) 0,33 , en que: ES 2 368 027 T3 w(i) es la fracción en peso de partículas de catalizador con un diámetro equivalente de DEQ (i) [m]. 9.- Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la temperatura de las partículas de catalizador de metanol se mantiene por encima del punto de rocío del metanol mediante un agente calefactor que incluye agua presurizada con un punto de ebullición entre 220ºC y 280ºC, vapor de agua con un punto de rocío entre 220ºC y 280ºC o una mezcla de los mismos, haciendo pasar el agente calefactor a través de medios calefactores internos que tienen una superficie específica de manera que la relación de la superficie de los medios calefactores a la superficie del área de refrigeración (ACOOL) oscile entre 0,3 y 3,0. 10.- Un método de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el punto de ebullición del agente refrigerante oscila entre 90ºC y 160ºC, y la relación Z oscila entre 2,0 y 15. 11 Detalle A ES 2 368 027 T3 12 ES 2 368 027 T3 13 ES 2 368 027 T3 14 ES 2 368 027 T3 ES 2 368 027 T3 16 ES 2 368 027 T3 17 ES 2 368 027 T3 18 Detalle A ES 2 368 027 T3 19 Detalle A ES 2 368 027 T3 ES 2 368 027 T3 21