Dispositivo y método para la ejecución de reacciones catalizadas de modo heterogéneo.

Reactor de lecho sólido para la ejecución de reacciones de mezclas fluidas de reacción,

en presencia de uncatalizador heterogéneo en forma de partículas, con un empaquetado estructurado (1), que en el espacio interior delreactor forma intersticios (3), caracterizado porque el reactor exhibe áreas de primera y segunda parte, que estándispuestas de manera alternante y se diferencian por la superficie específica del empaquetado (1) de modo que enel área de primera parte el cociente del diámetro hidráulico para la corriente de gas a través del empaquetado (1) yel diámetro equivalente de las partículas de catalizador (4) está en el rango de 2 a 20, preferiblemente en el rangode 5 a 10, donde las partículas de catalizador (4) son introducidas en los intersticios (3) y pueden ser distribuidas ydescargadas sueltas bajo el efecto de la fuerza de gravedad y porque en la región de segunda parte el cociente deldiámetro hidráulico para la corriente de gas a través del empaquetado (1) y el diámetro equivalente de las partículasde catalizador (4) es inferior a 1 y porque en la región de segunda parte no se introducen partículas de catalizador(4).

Dispositivo y método para la ejecución de reacciones catalizadas de modo heterogéneo

La invención se refiere a un reactor de lecho sólido para la ejecución de reacciones de mezclas fluidas de reacción en presencia de un catalizador heterogéneo en forma de partículas, un método así como una aplicación.

Aunque los reactores de lecho sólido son empleados ampliamente en la industria química, su aplicabilidad técnica es llevada al límite, frecuentemente condicionada por el sistema. Es incómodo por ejemplo que para elevadas cargas de catalizador, las zonas más bajas de la carga son sometidas a una fuerte carga mecánica, puesto que ellos tienen que absorber el ocasionalmente considerable peso total de la carga de catalizador. En el desarrollo de catalizadores obliga ello frecuentemente a soluciones de compromiso, en lo cual tiene que modificarse un catalizador optimizado respecto a su desempeño químico, a costo de su rendimiento espacio-tiempo y selectividad, de modo que él pueda absorber las inevitables cargas mecánicas. Otra solución de compromiso así mismo práctica consiste en que se aceptan intervalos más cortos para un cambio de catalizador, unido con una reducción de capacidad de la instalación y costos adicionales.

Los reactores de lecho sólido poseen la propiedad de que el intercambio transversal de los medios que fluyen es sólo débilmente marcado. Con reacciones fuertemente exotérmicas esto aumenta el peligro de zonas con excesiva temperatura de reacción, denominados puntos calientes. Esta propiedad obliga a medidas de precaución respecto a la máxima temperatura de reacción permisible, para inhibir con seguridad reacciones transversales iniciadas localmente, por ejemplo metanización en el caso de hidrogenación. Se restringe la elección del punto de operación más económico.

Otra propiedad desventajosa de los reactores de lecho sólido consiste en que para catalizadores finos, los cuales tienen que ser elegidos frecuentemente respecto a la actividad del catalizador, ocurren elevadas pérdidas de presión. En particular para reacciones con medios en forma de gas esto puede perjudicar fuertemente la rentabilidad.

Por consiguiente era objetivo de la invención poner a disposición un reactor de lecho sólido que no exhibiera las desventajas mencionadas.

La solución proviene de un reactor de lecho sólido para la ejecución de reacciones de mezclas de reacción fluidas en presencia de un catalizador heterogéneo en forma de partículas, con un empaquetado estructurado, el cual forme intersticios en el espacio interior del reactor.

La invención según la reivindicación 1 está caracterizada porque el cociente del diámetro hidráulico para la corriente de fluido a través del empaque y el diámetro equivalente de las partículas de catalizador está en el rango de 2 a 20, preferiblemente en el rango de 5 a 10, radica en el aspecto de que las partículas de catalizador son incorporadas en los intersticios y pueden ser repartidas y distribuidas de manera suelta, bajo la acción de la fuerza de gravedad.

Con ello, se encontró que es posible equipar un reactor de lecho fijo con un empaque estructurado e introducir en los intersticios arriba mencionados del mismo un catalizador heterogéneo en forma de partículas.

El diámetro hidráulico es definido de manera conocida como la relación entre el cuádruple de la superficie inundada y el perímetro de la misma. El cálculo concreto de la misma para un empaque con pliegues lineales es aclarado en la descripción de las figuras en unión con la figura 2.

El diámetro equivalente de partículas, partículas de catalizador presentes, es definido mediante la relación entre el séxtuple del volumen y la superficie de las partículas (para esto comparar VDI Wärmeatlas, 5ª edición, 1988, Lk1) .

En tanto un cociente del diámetro hidráulico para la corriente de gas a través del empaquetado y el diámetro equivalente de las partículas de catalizador esté contenido en el rango arriba definido, se garantiza de acuerdo con la invención que las partículas de catalizador son incorporadas, distribuidas y repartidas sueltas bajo el efecto de la fuerza de la gravedad en los intersticios del empaque.

Respecto a los empaquetados que pueden ser utilizados no existen básicamente restricciones: pueden emplearse los componentes que son utilizados regularmente en la técnica de destilación. En ello, en el espacio interior del reactor los empaquetados forman intersticios, los cuales básicamente tienen que estar unidos unos a otros para garantizar una circulación por la mezcla de reacción.

La invención no está limitada respecto a la forma de las partículas de catalizador que pueden ser empleadas; para el mejoramiento del rendimiento espacio-tiempo de reacciones con catálisis heterogénea se prefieren sin embargo elevadas superficies específicas y con ello pequeñas partículas de catalizador. En la operación de carga de partículas de catalizador, aumenta de manera conocida la pérdida de presión para partículas de catalizador más pequeñas y limita la capacidad para fluir y tasa de flujo de vapor a valores antieconómicamente pequeños. En contraste con ello, partículas pequeñas de catalizador justamente acordes con la invención son adecuadas para el uso combinado con un empaquetado, puesto que ellas se introducen de modo más sencillo, cuanto más pequeñas son sus dimensiones en comparación con las dimensiones del intersticio del empaquetado o del cuerpo de relleno.

Las partículas de catalizador son preferiblemente catalizadores completos, sin embargo también es posible emplear catalizadores soportados. Respecto a la forma de las partículas de catalizador no existe básicamente ninguna restricción, se emplean frecuentemente cilindros huecos o completos, esferas, sillas o cuerdas en forma de panales

o estrellas. Las dimensiones adecuadas de las partículas de catalizador son por ejemplo, para partículas de catalizador de cilindro entero, aproximadamente 1, 5 x 4 a aproximadamente 4 x 8 mm.

En el espacio interior del reactor se introducen empaquetados estructurados, es decir empaquetados construidos sistemáticamente con geometría regular, con zonas definidas de paso para las fases de contracorriente. Para la presente invención pueden emplearse básicamente empaquetados estructurados, como se desarrollan para las técnicas de destilación. Los empaquetados están construidos con placas de metal dobladas, dispuestas por regla general de modo esencialmente paralelo una a otra, capas de tela o de metal expandido mayormente con pliegues en línea recta, los cuales dividen la lámina de empaquetado, la capa de tela o de metal expandido, y donde la inclinación de la superficie del pliegue es comúnmente de 60 a 45° respecto a la horizontal. Para la presente invención se prefieren empaquetados que están formados de láminas de empaquetado para el ajuste en dirección del eje longitudinal del reactor de lecho sólido, con pliegues rectilíneos que dividen la lámina de empaquetado en superficies de pliegue, donde la inclinación de la superficie de pliegue respecto a la horizontal está en el rango 90 a 45°, preferiblemente a 60°. Mediante el arreglo de láminas de empaquetado que siguen una a otra en la misma inclinación respecto a la vertical, aunque con signos contrarios, surgen las estructuras con canales cruzados conocidas, como exhiben por ejemplo los empaquetados del tipo Mellapak, CY o BX de la compañía Sulzer AG, CH8404 Winterthur o los tipos A3, BSH, B1 o M de la compañía Montz GmbH, D-40723 Hilden.

Es posible condensar los empaquetados hasta capas individuales, de aproximadamente 0, 15 a 0, 25 m de altura.

Para la aplicación en el reactor de lecho sólido se emplean preferiblemente formas especiales de operación de empaquetados estructurados, las cuales permiten una elevada corriente de gas.

La invención se caracteriza además porque una o varias láminas de empaquetado con alta superficie específica están dispuestas de modo alternante con una o varias láminas de empaquetado con baja superficie específica. Mediante ello se forman intersticios con en cada caso diferentes diámetros hidráulicos. Las superficies específicas de las láminas de empaquetado son elegidas de modo tal que por un lado se forman intersticios para las cuales el cociente del diámetro hidráulico y el diámetro equivalente a las partículas de catalizador es < a 1 y por otro lado se forman intersticios para los... [Seguir leyendo]

1. Reactor de lecho sólido para la ejecución de reacciones de mezclas fluidas de reacción, en presencia de un catalizador heterogéneo en forma de partículas, con un empaquetado estructurado (1) , que en el espacio interior del reactor forma intersticios (3) , caracterizado porque el reactor exhibe áreas de primera y segunda parte, que están dispuestas de manera alternante y se diferencian por la superficie específica del empaquetado (1) de modo que en el área de primera parte el cociente del diámetro hidráulico para la corriente de gas a través del empaquetado (1) y el diámetro equivalente de las partículas de catalizador (4) está en el rango de 2 a 20, preferiblemente en el rango de 5 a 10, donde las partículas de catalizador (4) son introducidas en los intersticios (3) y pueden ser distribuidas y descargadas sueltas bajo el efecto de la fuerza de gravedad y porque en la región de segunda parte el cociente del diámetro hidráulico para la corriente de gas a través del empaquetado (1) y el diámetro equivalente de las partículas de catalizador (4) es inferior a 1 y porque en la región de segunda parte no se introducen partículas de catalizador (4) .

2. Reactor de lecho sólido según la reivindicación 1, caracterizado porque el empaquetado estructurado (1) exhibe una estructura de canales cruzados.

3. Reactor de lecho sólido según las reivindicaciones 1 o 2, donde el empaquetado (1) está formado por láminas de empaquetado (2) para la instalación en dirección del eje longitudinal del reactor de lecho sólido, con pliegues rectilíneos (5) , que dividen las láminas de empaquetado (2) en superficies plegadas (6) , caracterizado porque el ángulo de inclinación de las superficies plegadas (6) respecto a la horizontal está en el rango de 80 a 45°, preferiblemente a 60°.

4. Reactor de lecho sólido según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el empaquetado (1) exhibe una resistencia reducida al flujo en su superficie, preferiblemente mediante perforaciones y/o rugosidades del material de empaquetado (1) o mediante formación del empaquetado (1) como metal expandido.

5. Reactor de lecho sólido según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el empaquetado (1) está formado de áreas onduladas o plegadas dispuestas de modo alternante, donde las áreas planas no alcanzan hasta la periferia del empaquetado (1) .

6. Reactor de lecho sólido según una de las reivindicaciones 1 a 5, donde el empaquetado (1) está formado de láminas de empaquetado (2) , con pliegues rectilíneos (5) , los cuales dividen las láminas de empaquetado (2) en superficies plegadas (6) y los cuales exhiben una amplitud a que va a ser medida de borde de pliegue (5) a borde de pliegue (5) así como perforaciones, caracterizado porque una fracción X de por lo menos 60 % de las perforaciones exhibe una distancia b de máximo 0, 4 a hasta el borde inferior de pliegue (5) de cada superficie plegada (6) .

7. Método para la ejecución de reacciones de catálisis heterogénea de una mezcla fluida de reacción en un reactor de lecho sólido según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el reactor de lecho sólido es operado respecto a la carga de gas y líquido de modo que la carga transversal es de 30 a 300 m3/m2· h, preferiblemente 80 a 120 m3/m2·h.

8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque la mezcla fluida de reacción es una mezcla de gas/líquido y porque el gas y el líquido son conducidos en la co-corriente a través del reactor de lecho sólido.

9. El empleo de un reactor de lecho sólido según una de las reivindicaciones 1 a 6 o de un método según una de las reivindicaciones 7 u 8 para la ejecución de reacciones fuertemente exotérmicas o fuertemente endotérmicas, preferiblemente para la ejecución de hidrogenaciones u oxidaciones.