REACTORES DE FLUJO PARA CONVERSIONES QUÍMICAS CON CATALIZADORES HETEROGÉNEOS.

Reactor de flujo que comprende una pluralidad de conductos encapsulados,

cada uno de los cuales tiene una superficie externa dispuesta para el contacto con un medio de transferencia de calor, un colector de distribución de admisión adaptado para la comunicación de flujo con un colector aguas abajo a través de canales formados por material catalítico heterogéneo dispuesto dentro de cada conducto durante la operación en una secuencia de zonas para catalizadores que tienen la misma longitud o una longitud diferente a lo largo de la coordenada longitudinal del conducto, y dentro de cada zona una sección transversal esencialmente uniforme del conducto medida en un plano perpendicular a la coordenada longitudinal, definiendo de este modo el volumen de la zona, y la secuencia de zonas que comprende, al menos, cuatro zonas, de modo tal que cada zona aguas abajo tiene una sección transversal y volumen mayores que la zona aguas arriba contigua, y en donde la sección transversal del conducto en cada zona tiene una forma sustancialmente circular con un diámetro tal que el diámetro elevado a la tercera potencia es igual al producto del volumen y un factor geométrico que tiene valores en un rango de entre 0,01 y 0,30, y en donde además el factor geométrico de cada zona aguas abajo es mayor que la zona aguas arriba contigua para la secuencia de zonas que comprende al menos cuatro zonas

Reactores de flujo para conversiones químicas con catalizadores heterogéneos.

Campo de la invención La presente invención hace referencia a aparatos para la utilización en sistemas de proceso que incluyen conversiones químicas exotérmicas de compuestos orgánicos en productos con valor añadido. Más específicamente, la invención hace referencia a reactores de flujo para conversiones químicas exotérmicas utilizando un catalizador heterogéneo fijo con medios para el control de la exotermia.

Los reactores de flujo de la invención comprenden una pluralidad de conductos encapsulados, cada uno de los cuales tiene una superficie externa dispuesta para el contacto con un medio de transferencia de calor, un colector de admisión adaptado para la comunicación de flujo con un colector aguas abajo a través de canales formados por material catalítico heterogéneo dispuesto dentro de cada conducto durante la operación en una secuencia de zonas para catalizadores que tienen la misma longitud, o una longitud diferente, a lo largo de la coordenada longitudinal del conducto y dentro de cada zona transversal esencialmente uniforme del conducto medida en un plano perpendicular a la coordenada longitudinal, definiendo de este modo el volumen de la zona, y la secuencia de zonas que comprende una pluralidad de zonas, de modo tal que cada zona aguas abajo tiene una sección transversal variable (es decir, mayor o menor) que la zona aguas arriba contigua. Los reactores de la invención, generalmente, comprenden una carcasa adaptada para mantener durante la operación la superficie externa de cada conducto predominantemente en contacto con un medio de transferencia de calor, y que tiene una entrada en comunicación de flujo con una salida para el medio de transferencia de calor.

Otro aspecto de la invención incluye procesos químicos que utilizan tales reactores de flujo que comprenden una pluralidad de zonas, de modo tal que cada zona aguas abajo tiene una sección transversal variable al igual que la zona aguas arriba contigua. Tales procesos incluyen, por ejemplo, la fabricación continua del anhídrido intramolecular de ácido maleico, comúnmente conocido como anhídrido maleico en donde cada zona aguas abajo tiene una sección transversal mayor que la zona aguas arriba contigua.

Antecedentes de la invención En la mayoría, si no en todos los procesos que involucran conversiones químicas, el control de la temperatura mediante transferencia de energía es muy importante, debido a que reacciones químicas absorben o desprenden energía. Donde se realizan reacciones sumamente exotérmicas en un reactor de flujo que contiene un catalizador heterogéneo fijo, se sabe que la energía desprendida cerca de la entrada de los reactantes en contacto con el catalizador causa condiciones no isotérmicas que pueden producir un sobrecalentamiento nocivo del catalizador. Además, es probable que las condiciones no isotérmicas de reacción reduzcan las condiciones deseadas, la producción, y/o los rendimientos de productos de valor añadido.

En una gran cantidad de tipos de procesos industriales, el diseño convencional del aparato de reacción que se aplica para su utilización en la realización de reacciones químicas sumamente exotérmicas, utiliza un haz anular de tubos de contacto vertical que están adaptados para contener un catalizador heterogéneo fijo. Los gases de reacción son dirigidos a través de los tubos que contienen el catalizador, y el calor es desprendido cuando los productos de reacción son eliminados por un portador de calor que circula por la superficie externa de los tubos de contacto.

Los reactores de flujo convencional se ilustran en la figura 1. Habitualmente, tales reactores comprenden una pluralidad de conductos encapsulados, cada uno de los cuales tiene una superficie externa dispuesta para el contacto con un medio de transferencia de calor, y un colector de admisión adaptado para la comunicación de flujo con un colector aguas abajo. Los conductos son de sección transversal uniforme por toda la longitud del reactor. En tales reactores, a veces es difícil equilibrar el calor generado durante la reacción con las capacidades de eliminación de calor del medio de transferencia de calor. El resultado es tal que los reactores pueden operar con un "punto caliente" (es decir, la ubicación en el lecho de catalizador en donde la reacción exotérmica excede las capacidades de eliminación de calor del reactor) , o "reacciones descontroladas" (debido a que la eliminación insuficiente de calor y a menudo en donde el oxígeno es un reactante, los reactantes y productos preferentes se oxidan o queman para transformarse en compuestos químicos no-productos) . Uno de estos casos a menudo lleva a un daño químico o físico irreversible del catalizador y/o reduce de manera drástica la vida y/o rendimiento del catalizador. De manera específica, el catalizador puede fundirse y/o fusionarse junto; la estructura o composición de cristal catalítico puede alterarse, cualquiera de los cuales puede producir la pérdida de actividad y/o selectividad del catalizador a productos preferentes.

Se conocen muchos diseños dirigidos a un sistema de intercambio de calor mejorado para tal aparato de reacción.

Por ejemplo, la patente estadounidense Nº 3, 850, 233 a nombre de Oskar Wanka y Jeno Mihaleyi describe un aparato de reacción que es una estructura compacta de tipo cerrado sin partes externas, pero con un sistema interno complejo que incluye una bomba que dirige un flujo del medio portador de calor a lo largo de un deflector tubular interno hacia el extremo opuesto, y después por una abertura en el deflector tubular interno sobre los tubos de contacto, y después de regreso hacia la bomba para volver por un espacio anular entre un deflector anular y el tubular interno. Se dice que este sistema interno complejo proporciona un curso de flujo muy favorable para el portador de calor y una relación de intercambio de calor deseable entre los diferentes medios para los procesos químicos endotérmicos.

La patente estadounidense Nº 3, 871, 445 a nombre de Oskar Wanka, Friedrich Gutlhuber y Hermann Graf describe un diseño convencional de aparato de reacción para realizar reacciones químicas exotérmicas y endotérmicas, que tiene una carcasa en la cual se dispone un haz vertical de tubos de contacto. Estos tubos de contacto, que contienen un material catalizador, tienen sus extremos opuestos asegurados, de manera hermética ante fluidos, en cabezales respectivos y se abren, en sus extremos opuestos, en cabezales superiores e inferiores, conectados a la carcasa. Los gases de reacción que fluyen a través de los tubos de contacto son suministrados y extraídos mediante estos cabezales. Según la patente, un medio de intercambio de calor se bombea a través de un intercambiador de calor externo, y se suministra y descarga a la carcasa a través de conductos de suministro y descarga anulares respectivos espaciados axialmente, para fluir por los tubos de contacto. Los deflectores se disponen en la carcasa para extenderse de manera transversal el largo de los tubos para dirigir el medio de intercambio de calor para que fluya de manera alterna en direcciones radiales opuestas sobre los tubos entre los conductos de suministro y descarga. Al menos un circuito anular adicional se dispone en un punto de la carcasa intermedia entre los conductos de suministro y descarga, se conecta al intercambiador de calor y la carcasa, y suministra y descarga una cantidad parcial del medio de intercambio de calor. En uno de estos ejemplos complejos, varios de tales conductos anulares adicionales se disponen en puntos respectivos de la carcasa intermedia entre los conductos de suministro y descarga. En otro, diafragmas o particiones dividen el lado de la carcasa en compartimentos separados, cada uno de los cuales tiene un intercambiador de calor respectivo asociado con el mismo.

Más recientemente, la patente estadounidense Nº 3, 898, 295 a nombre de Oskar Wanka, Friedrich Gutlhuber y Cedomil Persic, describe un aparato de reacción de múltiples etapas para llevar a cabo reacciones catalíticas exotérmicas o endotérmicas que comprenden una pluralidad de etapas separadas que se disponen secuencialmente dentro del recipiente de reacción, y por lo tanto se pasan por el gas de reacción. Cada etapa incluye un módulo extraíble por separado lleno con un catalizador, y un refrigerador de gas en la forma de un intercambiador de calor montado en la parte inferior del módulo. Cada intercambiador de calor representa un circuito de enfriamiento parcial controlable y todos los intercambiadores... [Seguir leyendo]

1. Reactor de flujo que comprende una pluralidad de conductos encapsulados, cada uno de los cuales tiene una superficie externa dispuesta para el contacto con un medio de transferencia de calor, un colector de distribución de admisión adaptado para la comunicación de flujo con un colector aguas abajo a través de canales formados por material catalítico heterogéneo dispuesto dentro de cada conducto durante la operación en una secuencia de zonas para catalizadores que tienen la misma longitud o una longitud diferente a lo largo de la coordenada longitudinal del conducto, y dentro de cada zona una sección transversal esencialmente uniforme del conducto medida en un plano perpendicular a la coordenada longitudinal, definiendo de este modo el volumen de la zona, y la secuencia de zonas que comprende, al menos, cuatro zonas, de modo tal que cada zona aguas abajo tiene una sección transversal y volumen mayores que la zona aguas arriba contigua, y en donde la sección transversal del conducto en cada zona tiene una forma sustancialmente circular con un diámetro tal que el diámetro elevado a la tercera potencia es igual al producto del volumen y un factor geométrico que tiene valores en un rango de entre 0, 01 y 0, 30, y en donde además el factor geométrico de cada zona aguas abajo es mayor que la zona aguas arriba contigua para la secuencia de zonas que comprende al menos cuatro zonas.

2. Reactor de flujo según la reivindicación 1, que además comprende una carcasa adaptada para mantener durante la operación la superficie externa de cada conducto predominantemente en contacto con un medio de transferencia de calor y provista de una entrada en comunicación de flujo con una salida para el medio de transferencia de calor.

3. Reactor de flujo según la reivindicación 1 ó 2, en donde la sección transversal y la longitud de cada zona tienen un tamaño tal que el calor generado durante las reacciones exotérmicas que ocurren dentro de los conductos de la zona no excede la cantidad de calor que puede transferirse a y extraerse mediante el medio de transferencia de calor que rodea los conductos.

4. Reactor de flujo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las zonas para catalizadores tienen un largo total de menos de 3 metros, y además en donde la sección transversal del conducto en cada zona tiene una forma sustancialmente circular, con un diámetro tal que el diámetro elevado a la tercera potencia es igual al producto del volumen y un factor geométrico que tiene valores en un rango de entre 0, 01 y 0, 30, y en donde el factor geométrico de cada zona aguas abajo es mayor que la zona aguas arriba contigua para la secuencia de zonas que comprende al menos tres zonas.

5. Reactor de flujo según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde las zonas para catalizadores tienen un largo total a lo largo de la coordenada longitudinal de al menos 4 metros.

6. Reactor de flujo según la reivindicación 4, en donde la sección transversal del conducto en cada zona tiene una forma sustancialmente circular, con un diámetro tal que el diámetro elevado a la tercera potencia es igual al producto del volumen y un factor geométrico que tiene valores en un rango de entre 0, 015 y 0, 100.

7. Reactor de flujo según la reivindicación 6, en donde el factor geométrico de cada zona aguas abajo es mayor que la zona aguas arriba contigua para la secuencia de zonas que comprende al menos cuatro zonas.

8. Reactor de flujo según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, en donde el reactor de flujo además comprende:

(i) al menos una cámara de paso en comunicación de flujo con la pluralidad de conductos encapsulados de una zona aguas abajo y la pluralidad de conductos encapsulados de la zona aguas arriba anterior,

(ii) una carcasa adaptada para mantener durante la operación la superficie externa de la pluralidad de conductos encapsulados de cada zona predominantemente en contacto con un medio de transferencia de calor, y

(iii) la carcasa que tiene una entrada en comunicación de flujo con una salida para el flujo del medio de transferencia de calor.

9. Reactor de flujo según la reivindicación 8, en donde al menos una cámara de paso tiene una entrada en comunicación de flujo con la pluralidad de conductos encapsulados de una zona aguas abajo.

10. Proceso que incluye conversiones químicas exotérmicas de compuestos orgánicos a productos con valor añadido utilizando un catalizador heterogéneo selectivo en, al menos, un reactor de flujo que comprende una pluralidad de conductos encapsulados, cada uno de los cuales tiene una superficie externa dispuesta para el contacto con un medio de transferencia de calor, un colector de distribución de admisión adaptado para la comunicación de flujo con un colector aguas abajo a través de canales formados por material catalítico heterogéneo dispuesto dentro de cada conducto durante la operación en una secuencia de zonas que tienen la misma longitud o una longitud diferente a lo largo de la coordenada longitudinal del conducto y dentro de cada zona transversal

esencialmente uniforme del conducto medida en un plano perpendicular a la coordenada longitudinal, definiendo de este modo el volumen de la zona, y la secuencia de zonas que comprende al menos cuatro zonas, de modo tal que cada zona aguas abajo tiene una sección transversal y volumen mayores que la zona aguas arriba contigua, y en donde la sección transversal del conducto en cada zona tiene una forma sustancialmente circular, con un diámetro tal que el diámetro elevado a la tercera potencia es igual al producto del volumen y un factor geométrico que tiene valores en un rango de entre 0, 01 y 0, 30, y en donde el factor geométrico de cada zona aguas abajo es mayor que la zona aguas arriba contigua para la secuencia de zonas que comprende, al menos, cuatro zonas.

11. Proceso según la reivindicación 10, en donde las conversiones químicas exotérmicas de compuestos orgánicos en productos con valor añadido comprenden oxidación de benceno o un hidrocarburo seleccionado del grupo que 10 consiste en n-butano, butano-1 y butadieno, para formar anhídrido maleico.

12. Proceso según la reivindicación 10, en donde las conversiones químicas exotérmicas de compuestos orgánicos en productos con valor añadido comprenden la oxidación de n-butano para formar anhídrido maleico mediante el contacto de n-butano en concentraciones bajas en un gas que contiene oxígeno con un catalizador fijo que comprende principalmente tungsteno, fósforo y oxígeno.

13. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 10 a12 en donde el catalizador se mantiene a una temperatura que oscila entre 360°C y 530°C.

14. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13 en donde la sección transversal de cada zona aguas abajo que tiene una sección transversal mayor que la sección transversal de la zona aguas arriba contigua es mayor, en una cantidad tal que durante la operación las temperaturas de la exotermia medidas a lo largo de la línea central superan la temperatura del medio de transferencia de calor en no más de 50ºC.

15. Proceso según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, realizado en un reactor de flujo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9.