Aparato y método para la producción de gas de síntesis.

Aparato para proceso de reformado de hidrocarburos, que comprende:

una cámara de combustión que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara deconvección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando el primer extremo de lacámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

como mínimo, un quemador dispuesto en la cámara de combustión, estando el quemador adaptado para quemar uncombustible, generando, de este modo, un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta lacámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible;

una cámara de reacción que tiene una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primeraparte, estando dispuesta una parte sustancial de la primera parte en la cámara de combustión y estando dispuestauna parte sustancial de la segunda parte en la cámara de convección, de manera que la segunda parte estádispuesta en la cámara de convección, de manera que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene unaparte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

medios para producir el flujo de un primer material mixto a través de la primera parte de la cámara de reacción; ymedios para producir el flujo de un segundo material mixto a través de la parte anular de la segunda parte de lacámara de reacción en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección.

Aparato y método para la producción de gas de síntesis

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a procesos para la producción de un gas que contiene hidrógeno y óxidos de carbono (tal como gas de síntesis de metanol) mediante el reformado con vapor de un material a base de hidrocarburos y, en particular, a un aparato y un método para procesos de reformado de hidrocarburos que utilizan calor sensible de alto grado de gases de combustión y gas de síntesis producto para generar un gas producto adicional y minimizar la salida de vapor.

El proceso de reformado con vapor es un proceso químico conocido para el reformado de hidrocarburos. Una mezcla de hidrocarburos y vapor (un “material mixto”) reacciona en presencia de un catalizador para formar hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono. Dado que la reacción de reformado es fuertemente endotérmica, debe suministrarse calor a la mezcla de reactivos, tal como mediante el calentamiento de los tubos de un horno o reformador. El grado de reformado conseguido depende de la temperatura del gas que sale del catalizador; temperaturas de salida en el intervalo de 700ºC a 900ºC son habituales para el reformado convencional de hidrocarburos.

Los procesos convencionales de reformado con vapor en presencia de catalizador queman combustible para proporcionar la energía necesaria para la reacción de reformado. En un reformador de dicho proceso convencional, el combustible se quema simultáneamente con la entrada de gas de alimentación frío para maximizar el flujo de calor a través de la pared o paredes del tubo mediante la transferencia de calor radiante directamente desde la llama. Más abajo del extremo del quemador, tanto el gas producto como los gases de combustión salen a temperaturas relativamente elevadas. El contenido de energía de estos gases normalmente se recupera mediante el calentamiento previo del gas de alimentación del reformador o mediante la generación de vapor. Como resultado, el proceso genera un exceso de vapor al que se debe dar salida para mejorar la eficiencia global del proceso de reformado con vapor y para hacer que el proceso sea económicamente viable a la vista del hecho de que se ha añadido un equipo significativo para generar ese exceso de vapor.

Cada uno de los procesos dados a conocer en las patentes de Estados Unidos Nº 5.199.961 (Ohsaki y otros) y

4.830.834 (Stahl y otros) y en la patente europea Nº EP 0 911 076 A1 (Stahl) utilizan una parte de la energía sensible disponible en el recipiente del reformador, permitiendo así que el gas producto y los gases de combustión salgan a temperaturas inferiores a las temperaturas de salida correspondientes para el reformado con vapor convencional. Estos procesos de reformado reciben calor del combustible a quemar mediante la utilización de una combinación de: (1) una pared de igualación (formada de losetas, material refractario o metales) para recibir el calor radiante directamente de la llama desde la que se transfiere el calor al tubo o tubos de reformado mediante el calor radiante; y (2) una disposición de un flujo en contracorriente de los gases de combustión calientes con el material de entrada que transfiere la energía sensible al material de entrada mediante convección a través de la pared del tubo. Estas técnicas permiten controlar la temperatura de la capa externa del tubo del reformador en el límite de diseño; de otro modo, la temperatura será excesiva debido al calor radiante muy intenso de la llama. Sin embargo, estos procesos presentan limitación del flujo de calor al evitar el calor radiante directo desde la llama al tubo, tal como se utiliza normalmente en reformadores convencionales.

El reformador dado a conocer en el documento WO 01/12310 (Loiacono) recupera el calor sensible del gas producto mediante la utilización de una disposición de un tubo dentro de un tubo (tubo dentro de un tubo) que tiene el catalizador en los anillos del tubo dentro del tubo. La alimentación en frío en los anillos fluye en contracorriente con la combustión o los gases de combustión del exterior y absorbe el calor de combustión mediante las transferencias de calor radiante y de convección a través de la pared del tubo exterior. El flujo del gas reformado se invierte al final del lecho del catalizador y entra en el paso interno del tubo. A continuación, el gas reformado desprende calor al flujo en contracorriente del material frío que entra. Sin embargo, el proceso de transferencia de calor por convección desde el gas producto caliente a las reacciones de reformado no es eficaz porque no existe una fuerza impulsora de la temperatura en el punto de inversión. Como resultado, se necesita más área de transferencia de calor para utilizar el calor sensible del gas producto. Esta disposición utiliza una configuración de tubos internos diferente para proporcionar la superficie adicional requerida. Sin embargo, no consigue recuperar el calor sensible a temperaturas elevadas de los gases de combustión y presenta la misma limitación del flujo de calor que los reformadores de la técnica anterior descritos anteriormente.

La patente de Estados Unidos Nº 4.959.079 (Grotz y otros) utiliza un flujo en contracorriente y un tubo con protuberancias para recuperar el calor sensible de los gases de combustión para el reformado, pero no consigue recuperar el calor sensible a temperaturas elevadas del gas del proceso. Se utilizan quemadores del tipo de combustión lateral (“side-fired”) para maximizar el flujo de calor al tubo. Sin embargo, la disposición de quemadores del tipo combustión lateral (“side-fired”) limita el horno a una fila de tubos y se necesitan muchos quemadores. La pérdida de calor a través de la pared del horno es significativa a medida que aumenta la capacidad.

La solicitud de patente en trámite (expediente de Air Products and Chemicals, Inc. Nº 06052 USA) da a conocer la utilización de paredes de partición en la cámara radiante que resuelven el problema generador del exceso de vapor. Sin embargo, requiere una línea de transferencia de gases a temperatura elevada desde los tubos radiantes a los tubos de convección y una disposición de tubos compleja que es difícil de aumentar o reducir en términos de capacidad.

Es deseable tener un aparato y un método para procesos de reformado de hidrocarburos que superen las dificultades, problemas, limitaciones, desventajas y deficiencias de la técnica anterior, proporcionando resultados mejores y más ventajosos.

Es deseable además tener un aparato y un método para un proceso de reformado de hidrocarburos que utilizan calor sensible de alto grado de los gases de combustión y el gas de síntesis producto para generar el gas producto adicional y minimizar la salida de vapor.

Es deseable adicionalmente tener un proceso y un aparato más eficaces y económicos para el reformado de hidrocarburos.

BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención consiste en un aparato para un proceso de reformado de hidrocarburos y un método para producir un producto a partir de un proceso de reformado con vapor.

La primera realización del aparato incluye: una cámara de combustión, una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, como mínimo, un quemador dispuesto en la cámara de combustión, y una cámara de reacción. La cámara de combustión tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo. La cámara de convección tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando el primer extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión. Dicho, como mínimo un quemador, está dispuesto en la cámara de combustión y está adaptado para quemar un combustible, generando, de este modo, un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión a la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible. La cámara de reacción tiene una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte. Una parte sustancial de la primera parte está dispuesta en la cámara de combustión y una parte sustancial de la segunda parte está dispuesta en la cámara de convección. La segunda parte es del tipo de tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna. El aparato también incluye un medio para provocar el flujo de un primer material mixto a través de la primera parte de la cámara de reacción y un medio para provocar el flujo de un segundo material mixto a través de la parte anular de la segunda parte de la cámara de reacción en contracorriente con el flujo de gases... [Seguir leyendo]

1. Aparato para proceso de reformado de hidrocarburos, que comprende:

una cámara de combustión que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;

una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara de convección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando el primer extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

como mínimo, un quemador dispuesto en la cámara de combustión, estando el quemador adaptado para quemar un combustible, generando, de este modo, un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible;

una cámara de reacción que tiene una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte, estando dispuesta una parte sustancial de la primera parte en la cámara de combustión y estando dispuesta una parte sustancial de la segunda parte en la cámara de convección, de manera que la segunda parte está dispuesta en la cámara de convección, de manera que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

medios para producir el flujo de un primer material mixto a través de la primera parte de la cámara de reacción; y

medios para producir el flujo de un segundo material mixto a través de la parte anular de la segunda parte de la cámara de reacción en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección.

2. Aparato, según la reivindicación 1, que comprende además un medio de mezclado en la cámara de reacción adaptado para mezclar el primer material mixto y el segundo material mixto.

3. Aparato, según la reivindicación 1, que comprende además un medio para extraer una corriente de producto de la parte tubular interna del tubo dentro del tubo, fluyendo la corriente de producto a través de la parte tubular interna en contracorriente con el segundo material mixto.

4. Aparato, según la reivindicación 1, en el que el primer material mixto fluye en la misma dirección de la corriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de combustión.

5. Aparato, según la reivindicación 4, que comprende además, como mínimo, otro quemador, el otro quemador situado adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión, el otro quemador adaptado para quemar una parte del combustible u otro combustible, generando, de este modo, un flujo de otros gases de combustión que tienen otro calor sensible, fluyendo inicialmente los otros gases de combustión en la cámara de combustión en contracorriente con el primer material mixto.

6. Aparato, según la reivindicación 4, que comprende además, como mínimo, otro quemador dispuesto en la cámara de combustión, estando el otro quemador adaptado para quemar una parte del combustible u otro combustible, generando, de este modo, un flujo de otros gases de combustión que tienen otro calor sensible, fluyendo inicialmente los otros gases de combustión en la cámara de combustión en una dirección inicial diferente de la misma dirección o la dirección contraria de la corriente del primer material mixto.

7. Aparato, según la reivindicación 4, en el que un gas que tiene otro calor sensible se inyecta de forma adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión, fluyendo inicialmente el gas en la cámara de combustión en contracorriente con el primer material mixto.

8. Aparato, según la reivindicación 1, en el que la parte sustancial de la primera parte de la cámara de reacción se encuentra sustancialmente vertical en la cámara de combustión y la parte sustancial de la segunda parte de la cámara de reacción se encuentra sustancialmente vertical en la cámara de convección.

9. Aparato para un proceso de reformado de hidrocarburos, que comprende:

una cámara de combustion que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;

una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara de convección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, encontrándose el primer extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

como mínimo, dos cámaras de reacción separadas en una relación sustancialmente paralela, teniendo cada cámara de reacción una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte, estando una parte sustancial de la primera parte dispuesta en la cámara de combustión y estando una parte sustancial de la segunda parte dispuesta en la cámara de convección, de manera que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

un conjunto de quemadores dispuestos en la cámara de combustión, estando cada quemador adaptado para quemar un combustible, generando, de este modo, un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible, en los que un primer quemador está situado entre las dos cámaras de reacción, una primera cámara de reacción está situada entre el primer quemador y un segundo quemador, y una segunda cámara de reacción está situada entre el primer quemador y un tercer quemador;

medios para provocar el flujo de un primer material mixto a través de la primera parte de cada cámara de reacción en la dirección de la corriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de combustión;

medios para provocar el flujo de un segundo material mixto a través de la parte anular de la segunda parte de cada cámara de reacción en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección;

un medio de mezclado en cada cámara de reacción adaptado para mezclar el primer material mixto y el segundo material mixto; y

un medio para extraer una corriente de producto de la parte interna del tubo dentro del tubo, fluyendo la corriente de producto a través de la parte tubular interna en contracorriente con el segundo material mixto.

10. Aparato para proceso de reformado de hidrocarburos, que comprende:

una cámara de combustion que tiene un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;

una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara de convección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando el primer extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

como mínimo, una cámara de reacción que tiene una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte, estando una parte sustancial de la primera parte dispuesta en la cámara de combustión y estando una parte sustancial de la segunda parte dispuesta en la cámara de convección, en la que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

un conjunto de quemadores dispuestos en la cámara de combustión, estando cada quemador adaptado para quemar un combustible, generando, de este modo, un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible, de manera que la cámara de reacción está situada entre el primer quemador y el tercer quemador;

medios para provocar el flujo de un primer material mixto a través de la primera parte de la cámara de reacción en la dirección de la corriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de combustión;

medios para provocar el flujo de un segundo material mixto a través de la parte anular de la segunda parte de la cámara de reacción en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección;

un medio de mezclado en la cámara de reacción adaptado para mezclar el primer material mixto y el segundo material mixto; y

un medio para extraer una corriente de producto de la parte interna del tubo dentro del tubo, fluyendo la corriente de producto a través de la parte tubular interna en contracorriente con el segundo material mixto.

11. Método para producir un producto a partir de un proceso de reformado con vapor, que comprende las etapas de:

disponer una cámara de combustión que tenga un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;

disponer una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara de convección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando el primer extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

disponer una cámara de reacción que tenga una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte, estando una parte sustancial de la primera parte dispuesta en la cámara de combustión y estando una parte sustancial de la segunda parte dispuesta en la cámara de convección, en la que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

quemar un combustible en la cámara de combustión, generando, de este modo, un calor de combustión y un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible;

alimentar un primer material mixto a la primera parte de la cámara de reacción, en la que, como mínimo, una parte del primer material mixto absorbe, como mínimo, una parte del calor de combustión; y

alimentar un segundo material mixto a la parte anular de la segunda parte de la cámara de reacción, en la que el segundo material mixto fluye en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección, mediante lo cual, como mínimo, una parte del segundo material mixto absorbe, como mínimo, una parte del calor sensible.

12. Método, según la reivindicación 11, que comprende las etapas adicionales de mezclar el primer material mixto y el segundo material mixto en la cámara de reacción; y

extraer una corriente de producto de la parte tubular interna del tubo dentro del tubo, fluyendo la corriente de producto a través de la parte tubular interna en contracorriente con el segundo material mixto.

13. Método, según la reivindicación 11, en el que el primer material mixto fluye en la dirección de la corriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de combustión.

14. Método, según la reivindicación 13, que comprende las etapas adicionales de:

quemar una parte del combustible u otro combustible cerca del segundo extremo de la cámara de combustión, generando, de este modo, otro calor de combustión y un flujo de otro gas d combustión que tiene otro calor sensible, en el que los otros gases de combustión fluyen inicialmente en la cámara de combustión en contracorriente con el primer material mixto.

15. Método, según la reivindicación 13, que comprende la etapa adicional de:

quemar una parte del combustible u otro combustible en la cámara de combustión, generando, de este modo, otro calor de combustión y un flujo de otros gases de combustión que tiene otro calor sensible, en el que los otros gases de combustión fluyen inicialmente en la cámara de combustión en una dirección inicial diferente de la misma dirección o la dirección contraria de la corriente del primer material mixto.

16. Método, según la reivindicación 13, que comprende la etapa adicional de:

inyectar un gas que tiene otro calor sensible cerca del segundo extremo de la cámara de combustión, fluyendo inicialmente el gas en la cámara de combustión en contracorriente con el primer material mixto.

17. Método, según la reivindicación 11, en el que la parte sustancial de la primera parte de la cámara de reacción está dispuesta sustancialmente vertical en la cámara de combustión y la parte sustancial de la segunda parte de la cámara de reacción está dispuesta sustancialmente vertical en la cámara de convección.

18. Método para producir un producto a partir de un proceso de reformado con vapor, que comprende las etapas de:

disponer una cámara de combustión que tenga un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;

disponer una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara de convección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando dispuesto el primer extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

disponer, como mínimo, dos cámaras de reacción separadas en una relación sustancialmente paralela, teniendo cada cámara de reacción una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte, estando una parte sustancial de la primera parte dispuesta en la cámara de combustión y estando una parte sustancial de la segunda parte dispuesta en la cámara de convección, en la que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

disponer un conjunto de quemadores en la cámara de combustión, estando cada quemador adaptado para quemar un combustible, en el que, como mínimo, un primer quemador está situado entre las dos cámaras de reacción, una primera cámara de reacción está situada entre el primer quemador y un segundo quemador, y una segunda cámara de reacción está situada entre el primer quemador y un tercer quemador;

quemar un combustible en los quemadores, generando, de este modo, un calor de combustión y un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible;

alimentar un primer material mixto a la primera parte de cada cámara de reacción, en la que el primer material mixto fluye en la misma dirección de la corriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de combustión, y, como mínimo, una parte del primer material mixto absorbe, como mínimo, una parte del calor de combustión;

alimentar un segundo material mixto a la parte anular de la segunda parte de cada cámara de reacción, en la que el

segundo material mixto fluye en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección, mediante lo cual, como mínimo, una parte del segundo material mixto absorbe, como mínimo, una parte del calor sensible;

mezclar el primer material mixto y el segundo material mixto en cada cámara de reacción; y

extraer una corriente de producto de la parte interna del tubo dentro del tubo, en el que la corriente de producto fluye a través de la parte tubular interna en contracorriente con el segundo material mixto.

19. Método para producir un producto a partir de un proceso de reformado con vapor, que comprende las etapas de:

disponer una cámara de combustión que tenga un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo;

disponer una cámara de convección en comunicación de fluido con la cámara de combustión, teniendo la cámara de convección un primer extremo y un segundo extremo opuesto al primer extremo, estando dispuesto el primer

extremo de la cámara de convección adyacente al segundo extremo de la cámara de combustión;

disponer, como mínimo, una cámara de reacción que tenga una primera parte y una segunda parte en comunicación de fluido con la primera parte, estando una parte sustancial de la primera parte dispuesta en la cámara de combustión y estando una parte sustancial de la segunda parte dispuesta en la cámara de convección, en la que la segunda parte es un tubo dentro de un tubo que tiene una parte anular entre una parte tubular interna y una parte tubular externa que rodea la parte tubular interna;

disponer un conjunto de quemadores dispuestos en la cámara de combustión, estando cada quemador adaptado para quemar un combustible, en el que la cámara de reacción está situada entre un primer quemador y un segundo quemador;

quemar un combustible en los quemadores, generando, de este modo, un calor de combustión y un flujo de gases de combustión desde la cámara de combustión hasta la cámara de convección, teniendo los gases de combustión un calor sensible;

alimentar un primer material mixto a la primera parte de la cámara de reacción, en la que el primer material mixto fluye en la misma dirección de la corriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de combustión, y, como mínimo, una parte del primer material mixto absorbe, como mínimo, una parte del calor de combustión;

alimentar un segundo material mixto a la parte anular de la segunda parte de la cámara de reacción, en la que el segundo material mixto fluye en contracorriente con el flujo de gases de combustión en la cámara de convección, mediante lo cual, como mínimo, una parte del segundo material mixto absorbe, como mínimo, una parte del calor sensible;

mezclar el primer material mixto y el segundo material mixto en cada cámara de reacción; y

extraer una corriente de producto de la parte interna del tubo dentro del tubo, en el que la corriente de producto fluye a través de la parte tubular interna en contracorriente con el segundo material mixto.