Reactor y procedimiento para llevar a cabo reacciones catalíticas endotérmicas o exotérmicas.

Un reactor de intercambio de calor para llevar a cabo reacciones endotérmicas o exotérmicas,

que comprende:

un alojamiento que define una pared externa (1) del reactor,

una pluralidad de tubos de transferencia de calor (2) dispuestos dentro de dicho alojamiento para el suministro o la eliminación de calor en lechos de catalizador (3, 3') dispuestos al menos por fuera (3) de dichos tubos de transferencia de calor (2) y elementos incorporados (4) que sirven para crear una relación de área de catalizador a área de transferencia de calor en la periferia externa del lecho de catalizador similar a la que se consigue en la restante sección transversal del lecho y que son miembros alargados que discurren en paralelo con respecto a los tubos de transferencia de calor y que están dispuestos en la periferia externa de dicho lecho de catalizador (3), en donde dichos elementos incorporados son tubos de transferencia de calor periféricos en los que pasa a su través un medio de intercambio de calor y dicho medio de intercambio de calor es un gas fluido que discurre en iso-corriente o en contra-corriente con la corriente del gas del proceso que atraviesa dicho lecho de catalizador, y

en donde los elementos incorporados (4) están situados en contacto directo con la pared externa (1) del reactor.

Reactor y procedimiento para llevar a cabo reacciones catalíticas endotérmicas o exotérmicas.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere a un reactor de intercambio de calor mejorado y a un procedimiento para llevar a cabo reacciones catalíticas endotérmicas o exotérmicas. En particular, la invención se refiere a un reactor de intercambio de calor mejorado y a un procedimiento para uso en el reformado con vapor de agua de materiales de alimentación hidrocarbonados para la producción de gas de síntesis que comprende hidrógeno y monóxido de carbono.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Reactores catalíticos para llevar a cabo reacciones endotérmicas o exotérmicas son bien conocidos en la técnica, siendo ejemplos particulares reactores para el reformado con vapor de agua endotérmico de hidrocarburos y reactores para la reacción exotérmica de síntesis de metanol. Las reacciones se llevan a cabo típicamente en tubos cargados con un catalizador sólido adecuado a través del cual se hace pasar a presión elevada una corriente de gas del proceso que comprende los reaccionantes. En el reactor está dispuesta una pluralidad de tubos vertical u horizontalmente. Los tubos discurren en paralelo a lo largo del eje principal del reactor catalítico, mientras que un medio de intercambio de calor en el exterior calienta o enfría los tubos. El catalizador sólido en el interior de los tubos proporciona un lecho de catalizador en el que tienen lugar las reacciones químicas requeridas. El catalizador se puede proporcionar en forma de partículas sólidas o como una estructura revestida, por ejemplo como una capa fina fijada a la pared interna de los tubos en reactores de reformado con vapor de agua.

En otra configuración del reactor que comprende una pluralidad de tubos, las partículas de catalizador sólidas se pueden disponer por fuera de dichos tubos, a los que se alude aquí en lo que sigue también como tubos de transferencia de calor, mientras que el medio de intercambio de calor pasa por el interior. El catalizador sólido por fuera de los tubos de transferencia de calor proporciona el lecho de catalizador en el que tienen lugar las reacciones químicas requeridas.

Un tipo particular de tubo de transferencia de calor utilizado en reactores de intercambio de calor es el denominado doble tubo. Un doble tubo es básicamente una disposición de dos tubos sustancialmente concéntricos. El espacio entre las paredes del tubo define una cavidad anular a través de la cual puede fluir un medio de intercambio de calor, de modo que el control de la temperatura se consigue mediante intercambio de calor indirecto entre una corriente del proceso que atraviesa el lecho del catalizador y dicho medio de intercambio de calor. En una disposición que comprende una pluralidad de dobles tubos, el catalizador sólido en el lecho está dispuesto ventajosamente tanto por el exterior como por el interior de los dobles tubos.

Todavía otro tipo de tubos de transferencia de calor en reactores de intercambio de calor es una disposición de dos tubos sustancialmente concéntricos, pero en que el tubo interno está cerrado en uno o en ambos extremos, o simplemente es un miembro alargado macizo tal como una barra o varilla metálica. El espacio entre las paredes del tubo define una cavidad anular para el paso del medio de intercambio de calor. En una disposición que comprende una pluralidad de este tipo de tubos de transferencia de calor, el lecho del catalizador sólido está dispuesto sólo por fuera de dichos tubos.

En esta memoria de patente, las expresiones “reactor catalítico”, “reactor de intercambio de calor” y “reactor” se utilizan de manera indistinta. Por “lecho del catalizador” se quiere dar a entender el volumen de catalizador sólido que conforma dicho lecho y que está por fuera de los tubos de transferencia de calor y, opcionalmente, en el caso de dobles tubos, también dentro de dichos tubos. Las expresiones “tubos de transferencia de calor” y “tubos” se utilizan de manera indistinta en esta memoria y cubren cualquier tubo que esté en contacto con el catalizador, así como un medio de intercambio de calor con el propósito de llevar a cabo reacciones catalíticas.

A partir del documento EP-A-0 271 299 se conoce un procedimiento y un reactor, en los que un catalizador está en contacto indirecto con un medio de intercambio de calor. Esta cita describe un reactor y un procedimiento que combina el reformado con vapor de agua y el reformado autotérmico. La zona de reformado con vapor de agua dispuesta en la región inferior del reactor comprende un cierto número de tubos con catalizador dispuesto en su interior, mientras que en la zona superior del reactor está dispuesto un catalizador de reformado autotérmico por fuera de los tubos para el reformado con vapor de agua. El documento EP-A-1 106 570 describe un procedimiento para el reformado con vapor de agua en reformadores tubulares (reactores) conectados en paralelo los cuales comprenden un cierto número de tubos para el reformado con vapor de agua y que son calentados mediante intercambio de calor indirecto. El catalizador está dispuesto en un reactor por fuera de los tubos para el reformado con vapor de agua y dentro de los tubos para el reformado con vapor de agua en el otro reactor. El documento US

4.321.234 describe un reactor que comprende un lecho catalítico desplazado de la pared externa del reactor, comprendiendo el lecho catalítico tubos de intercambio de calor dispuestos en la periferia exterior y la periferia interior del lecho. En configuraciones del reactor que comprenden partículas de catalizador sólidas dispuestas en forma de un lecho por fuera de una pluralidad de tubos de transferencia de calor, p. ej. tubos para el reformado con vapor de agua, la disposición de tubos de transferencia de calor de este tipo es de importancia crítica, ya que sería deseable conseguir una distribución uniforme de la temperatura a través de la dirección radial del reactor. En otras palabras, sería deseable que en cualquier sección transversal dada a lo largo de la altura del reactor, la temperatura del lecho del catalizador en la dirección radial se mantenga lo más constante posible.

A una longitud o altura del reactor dada, no es difícil obtener relaciones casi uniformes de área del catalizador (área de la sección transversal del reactor ocupada por catalizador) a área de transferencia de calor (superficie exterior de los tubos de transferencia de calor) y, con ello, una distribución uniforme de la temperatura en el interior de la sección transversal del lecho del catalizador, es decir, hacia el centro del reactor. Esta relación se puede mantener constante si, por ejemplo, se mantiene constante el paso del tubo para el mismo diámetro del tubo de transferencia de calor. Por paso del tubo se quiere dar a entender la distancia de centro a centro de tubos adyacentes. Incluso puede obtenerse un cambio, por ejemplo de un paso triangular en el centro del lecho a un paso rectangular próximo a la periferia del lecho sin experimentar variaciones demasiado grandes en la relación de área de catalizador a área de transferencia de calor. Sin embargo, en la periferia del lecho de catalizador calentado o enfriado, la pared externa circundante del reactor que define la periferia del reactor no calienta ni enfría el lecho del catalizador. En la periferia externa de dicho lecho del catalizador, es decir, en las regiones próximas a la pared externa del reactor, puede ser imposible obtener una relación de área de catalizador a área de transferencia de calor similar a la relación encontrada hacia el centro del reactor. Este es especialmente el caso cuando se requiere una determinada distancia mínima entre los tubos de transferencia de calor más externos y la pared externa del reactor, de manera que partículas de catalizador son capaces de rodear a toda la superficie externa de dichos tubos de transferencia de calor. Si la pared externa del reactor está muy próxima a o está en contacto directo con la pared externa de los tubos de transferencia de calor más externos, partículas de catalizador sólidas pueden no ser capaces de acoplarse entre la pared y dichos tubos. Por consiguiente, se pueden crear esquinas muertas o regiones exentas de catalizador. El espacio vacío formado por estas regiones exentas de catalizador resulta en una canalización de gas indeseada con efectos indeseados concomitantes en términos de flujo irregular, distribución irregular de la temperatura en el lecho del catalizador así como gas del proceso no convertido o que ha reaccionado menos.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Los autores de la invención han desarrollado ahora un reactor de acuerdo con la... [Seguir leyendo]

1. Un reactor de intercambio de calor para llevar a cabo reacciones endotérmicas o exotérmicas, que comprende: un alojamiento que define una pared externa (1) del reactor, una pluralidad de tubos de transferencia de calor (2) dispuestos dentro de dicho alojamiento para el suministro o la eliminación de calor en lechos de catalizador (3, 3’) dispuestos al menos por fuera (3) de dichos tubos de transferencia de calor (2) y elementos incorporados (4) que sirven para crear una relación de área de catalizador a área de transferencia de calor en la periferia externa del lecho de catalizador similar a la que se consigue en la restante sección transversal del lecho y que son miembros alargados que discurren en paralelo con respecto a los tubos de transferencia de calor y que están dispuestos en la periferia externa de dicho lecho de catalizador (3) , en donde dichos elementos incorporados son tubos de transferencia de calor periféricos en los que pasa a su través un medio de intercambio de calor y dicho medio de intercambio de calor es un gas fluido que discurre en iso-corriente o en contra-corriente con la corriente del gas del proceso que atraviesa dicho lecho de catalizador, y en donde los elementos incorporados (4) están situados en contacto directo con la pared externa (1) del reactor.

2. Un reactor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde los tubos de transferencia de calor (2) son dobles tubos,

de modo que las partículas sólidas que forman lechos de catalizador (3, 3’) están dispuestas tanto por fuera (3) de tubos de transferencia de calor (2) como por dentro (3’) de dichos tubos de transferencia de calor (2) .

3. Un reactor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde las partículas sólidas que forman el lecho de catalizador se proporcionan como un lecho de catalizador por fuera (3) de los tubos de transferencia de calor (2) , pero no por dentro (3’) de los tubos de transferencia de calor (2) .

4. Un reactor de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde los elementos incorporados (4) tienen una sección transversal sustancialmente triangular o semicircular.

5. Un procedimiento para el reformado con vapor de agua de materiales de alimentación hidrocarbonados que comprende: (a) formar un gas combinado (5) en un reactor de intercambio de calor de acuerdo con la reivindicación 1, combinando el gas efluente caliente procedente de un reformador autotérmico con gas de proceso (6) convertido que abandona los lechos de catalizador (3, 3’) dispuestos al menos por fuera de los tubos de transferencia de calor (2) de dicho reactor, (b) hacer pasar dicho gas combinado (5) a través del espacio anular de dichos tubos de transferencia de calor, para el calentamiento indirecto de dichos lechos (3, 3’) de catalizador, (c) separar dicho gas combinado (5) procedente del reactor de intercambio de calor en forma de una corriente de gas de síntesis rica en hidrógeno, en donde el reactor de intercambio de calor comprende tubos de transferencia de calor periféricos (4) situados en contacto directo con la pared externa (1) del reactor y que sirven para crear una relación de área de catalizador a área de transferencia de calor en la periferia externa del lecho de catalizador similar a la que se consigue en la sección transversal restante del lecho, y el gas combinado (5) de la etapa (a) se hace pasar a través de dichos tubos de transferencia de calor periféricos (4) situados en paralelo con los tubos de transferencia de calor (2) .

6. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, en donde los tubos de transferencia de calor (2) son dobles tubos y el gas combinado (5) se hace pasar a través del espacio anular de dichos dobles tubos.