REACTOR CATALÍTICO.

Campo del Invento El presente invento proporciona un reactor catalítico con una sección de mezclado para mezclar un gas que contiene oxígeno con un gas que contiene hidrocarburos para producir una mezcla y con una sección de reacción aguas abajo para hacer que la mezcla reaccione de forma catalítica para producir un producto. Más en concreto, el presente invento se refiere a un reactor de este tipo en el cual la sección de mezclado está provista de un supresor de llama para impedir la formación de una llama estable por si los hidrocarburos de la mezcla se inflaman de alguna manera. Antecedentes del Invento Ha habido una variedad de reactores que se han propuesto para hacer reaccionar oxígeno con una corriente que contiene hidrocarburos para producir un producto gaseoso de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. Los reactores típicos son reactores de oxidación parcial en los cuales las especies de hidrocarburos se mezclan con un gas que contiene oxígeno y se oxidan parcialmente con la ayuda de un catalizador de oxidación parcial. Otros reactores también inyectan vapor para que se puedan hacer reaccionar los hidrocarburos mediante reacciones conocidas de reformado de metano con vapor. En un reactor de este tipo las reacciones de oxidación parcial, al ser exotérmicas, proporcionan el calor para cubrir las necesidades de calentamiento endotérmico de las reacciones de reformado de metano con vapor. Un reactor de este tipo es conocido como un reactor autotérmico. Otros reactores adicionales son los reactores multitubulares utilizados en las reacciones de oxidación selectivas exotérmicas para la producción de óxido de etileno, acetato de vinilo, y otros hidrocarburos oxigenados. Los reactores que están diseñados para reacciones de oxidación parcial contemplan un funcionamiento en el cual las proporciones de hidrocarburos y oxígeno se seleccionan para producir una conversión substancialmente completa de los hidrocarburos a un gas de síntesis que contiene hidrógeno y monóxido de carbono. Por lo tanto, existe un contenido de oxígeno tan significativo que es posible la inflamación autotérmico de los hidrocarburos. La reacción de los hidrocarburos y el oxígeno antes del catalizador por cualquier motivo es particularmente no deseable porque produce un consumo no deseado de los reactivos por oxidación completa de los mismos que produce una disminución en los ritmos necesarios de producción y una potencial deposición de carbono sobre el catalizador. Este problema se agrava en los reactores de este tipo porque se están produciendo reacciones de oxidación directamente aguas abajo en la sección de reacción a alta temperatura y, de esta forma, la combustión en el interior de la sección de reacción puede propagar una reacción no deseada en el interior de la cámara de mezclado. Con el fin de combatir este problema se han diseñado reactores tales que los reactivos, a saber, hidrocarburos y oxígeno, se mezclan en una sección de mezclado con tanta rapidez que no tienen tiempo de reaccionar antes de que se alcance una sección de reacción que contiene un catalizador para estimular la reacción deseada. Un ejemplo de un reactor que está diseñado para impedir la combustión de los reactivos en la sección de mezclado se puede encontrar en el documento U.S. 4.865.820, el cual explica un reactor de oxidación parcial en el que la cámara de mezclado está provista de canales estrechos que tienen secciones de garganta estrechas en las cuales se introduce cualquiera de las corrientes de reactivo para que se mezclen bajo condiciones turbulentas con el otro flujo de reactivo a través de orificios conformados en los canales estrechos. El flujo turbulento resultante tiene una velocidad que supera a la de cualquier llama que se propague debido a un retroceso de la llama desde el reactor. El documento U.S. 5.866.056 proporciona medios para inyectar gases reactivos a alta velocidad a través de una pluralidad de canales aislados de un colector inyector para reducir el tiempo de permanencia de los reactivos en el interior de la sección de mezclado con el fin de impedir la reacción indeseable de los reactivos en el interior de dicha sección de mezclado. En el documento U.S. 6.471.937 gases reactivos calientes se introducen en el interior de una tobera contenida en una cámara de mezclado para producir un chorro de velocidad supersónica que arrastrará a otro componente de una mezcla reactiva al interior del chorro. Las mezclas de reactivos se introducen a continuación en una zona de reacción. El tiempo de permanencia en el interior de la cámara de mezclado es lo suficientemente breve para que los reactivos no tengan tiempo de reaccionar antes de entrar en la zona de reacción. El problema con todos los reactores de este tipo es que no se pueden aplicar a un funcionamiento en el cual no se desea hacer reaccionar por completo los hidrocarburos a un gas de síntesis. Por ejemplo, se puede utilizar un reactor catalítico de oxidación parcial como prerreformador para hacer reaccionar hidrocarburos de mayor orden principalmente a metano. Cuando un reactor de este tipo se usa como prerreformador, la cantidad de oxígeno en base volumétrica que se introduce es una quinta parte o menos de la entrada de hidrocarburos. Esto se debe comparar con un reactor diseñado para una reacción completa de los hidrocarburos a monóxido de carbono e hidrógeno en la cual la proporción sería de la mitad o más. Por lo tanto, los dispositivos que se describen en las patentes enumeradas anteriormente y que dependen todos del arrastre no funcionarán con una proporción de oxígeno tan pequeña. En cualquier caso, el mecanismo de posible combustión de los hidrocarburos es completamente diferente en el caso de prerreformado, en el que según se van mezclando los reactivos se produce una mezcla inflamable. Sin embargo, una vez que el mezclado es completo no existe suficiente oxígeno para producir una mezcla inflamable. Por consiguiente, la combustión se puede producir durante el mezclado, pero existe poco peligro de combustión una vez que el mezclado es completo. Típicamente, en aplicaciones de este tipo el oxígeno se introduce como un chorro de alta velocidad diseñado para arrastrar rápidamente al gas inflamable de 2 E07752931 18-11-2011   forma que se minimice la zona de mezclado inflamable. También se pueden colocar supresores de llama después de la zona de mezclado para reducir el efecto del sobrecalentamiento en el caso de que la mezcla se inflame accidentalmente. Estos supresores de llama consisten en un conjunto de canales estrechos que sólo permiten el flujo axial. Un problema adicional en cualquier reactor que contenga un catalizador es que eventualmente el catalizador tendrá que ser sustituido. Esta puede ser una tarea muy ardua que puede llevar días completar. En el documento U.S. 4.865.820, se hace un intento de segregar el catalizador del aislamiento que sirve para aislar las paredes del reactor de las reacciones de alta temperatura que se producen en el interior de dicho reactor, proporcionando un reactor que tiene un recipiente a presión exterior que contiene aislamiento, un refractario interior y un revestimiento de metal que contiene al catalizador. La sección superior de mezclado se puede desmontar para permitir la extracción y reinstalación del catalizador cuando necesite sustitución. Aunque el catalizador esté formado por bloques monolíticos, extraer y volver a montar el catalizador sigue siendo problemático. El documento DE 199 55 929 A1 se refiere a un reactor catalítico para reformado hidrotérmico de hidrocarburos que comprende una tobera de arranque para inyectar una mezcla de oxígeno/hidrocarburos con el fin de crear una llama para calentar el reactor hasta su temperatura de funcionamiento y un supresor de llama permeable a los gases que tiene una gran superficie externa e interna. El documento WO 98/49095 A1 se refiere a un reactor para oxidación parcial catalítica de hidrocarburos a gas de síntesis en el cual se expulsan oxígeno y metano a través de una pluralidad de toberas hacia el interior de un hueco que sirve para impedir la autoinflamación de la mezcla gaseosa, en el cual dentro del hueco está situado un escudo térmico. Como se explicará más adelante, el presente invento proporciona un reactor catalítico en el cual se impide la propagación de llama estable en el interior de la cámara de mezclado y que está diseñado de tal manera que el catalizador se puede instalar y sustituir con facilidad. Sumario del Invento De acuerdo con el presente invento, se explica un reactor catalítico que tiene una sección de mezclado para mezclar un gas que contiene oxígeno con un gas que contiene hidrocarburos y una sección de reacción conectada a la sección de mezclado para hacer reaccionar a una mezcla del gas que contiene oxígeno y el gas que contiene... [Seguir leyendo]

1. Un reactor catalítico que comprende: una sección (10) de mezclado para mezclar un gas que contiene oxígeno con un gas que contiene hidrocarburos y una sección (12) de reacción conectada a la sección de mezclado para hacer reaccionar a la mezcla del gas que contiene oxígeno y el gas que contiene hidrocarburos para producir un producto; incluyendo dicha sección de reacción una cámara (42) interior posicionada para recibir a la mezcla del gas que contiene oxígeno y el gas que contiene hidrocarburos, un catalizador (44) situado en el interior de dicha cámara interior para estimular las reacciones en las que está implicada dicha mezcla, un recipiente (63) a presión exterior, aislamiento térmico (64) entre dicha cámara interior y dicho recipiente a presión exterior y una salida que penetra en el recipiente a presión exterior y en comunicación con la cámara interior para descargar un gas producto que contiene al producto; caracterizado porque dicha sección (10) de mezclado incluye una cámara (16) de mezclado que tiene una entrada (14) para el gas que contiene hidrocarburos, un inyector (26) de oxígeno situado en el interior de la cámara de mezclado para inyectar el gas que contiene oxígeno en el interior del gas que contiene hidrocarburos y un supresor (30) de llama situado al menos por debajo del inyector de oxígeno; estando formado el supresor de llama por una masa de material poroso que permite el mezclado en ambas direcciones radial y axial de dicha cámara de mezclado para estimular el mezclado del gas que contiene oxígeno y el gas que contiene hidrocarburos y estando el supresor de llama en contacto con las paredes de dicha cámara de mezclado de tal manera que el flujo de dicho gas que contiene oxígeno y de dicho gas que contiene hidrocarburos está obligado a pasar a través de dicho supresor de llama antes de entrar en la sección (12) de reacción. 2. El reactor de la reivindicación 1, en el cual el citado supresor (30) de llama está fabricado a partir de un bloque de espuma metálica. 3. El reactor de la reivindicación 2, en el cual el citado bloque de espuma metálica consiste en capas (30a-f) de dicho bloque de espuma metálica y dicha cámara (16) de mezclado tiene elementos (32) deflectores situados entre dichas capas para estimular aún más el mezclado del gas que contiene oxígeno y el gas que contiene hidrocarburos. 4. El reactor de la reivindicación 1, en el cual el citado inyector (26) de oxígeno comprende una tubería (28) de entrada que se alarga hacia el interior de dicha cámara (16) de mezclado y un distribuidor circular que tiene aberturas (29) para descargar el gas que contiene oxígeno. 5. El reactor de la reivindicación 1, que comprende además un mezclador (34) estático situado por debajo del supresor (30) de llama. 6. El reactor de la reivindicación 1, en el cual el catalizador (44) comprende una pila de bloques (46) monolíticos situada en el interior de un ensamblaje que comprende un tubo (48) cerámico y un elemento de fijación (49, 50, 51a, 51b) para sujetar la pila de bloques monolíticos en el interior del tubo cerámico como una única unidad para que el ensamblaje se pueda instalar y extraer de la cámara (42) interior como una única unidad. 7. El reactor de la reivindicación 6, en el cual el catalizador (44) tiene una configuración substancialmente cilíndrica y el elemento de fijación comprende dos placas (49, 50) finales enfrentadas de configuración anular y tirantes (51a, 51b) que conectan a dichas dos placas finales enfrentadas, estando las placas finales dimensionadas para sujetar al tubo (48) cerámico entre las placas finales y por lo tanto para sujetar a la pila de bloques monolíticos en el interior del tubo cerámico y entre las placas finales. 8. El reactor de la reivindicación 7, en el cual el tubo (48) cerámico se puede separar a lo largo de su longitud para facilitar la formación de la pila de bloques monolíticos y la fijación de las placas finales (49, 50) mediante las tirantes (51a, 51b). 9. El reactor de la reivindicación 8, en el cual el citado supresor (30) de llama está formado por capas (30a-f) de bloque de espuma metálica y la citada cámara (16) de mezclado tiene además elementos (32) deflectores situados entre dichas capas para estimular el mezclado del gas que contiene oxígeno y el gas que contiene hidrocarburos. 10. El reactor de la reivindicación 9, que comprende además un mezclador (34) estático situado por debajo del supresor (30) de llama. 7 E07752931 18-11-2011   8 E07752931 18-11-2011   9 E07752931 18-11-2011   E07752931 18-11-2011