Reactor tubular con transferencia de calor por choque de chorros.
Un reactor tubular que tiene una entrada al reactor tubular y una salida del reactor tubular aguas abajo de la entrada al reactor tubular,
comprendiendo el reactor tubular:
un tubo que tiene una pared del tubo y un eje en una dirección longitudinal del tubo, y una pieza de inserción dispuesta dentro del tubo, en la que la pieza de inserción comprende:
una multitud de estructuras en forma de copa dispuestas consecutivamente en la dirección longitudinal del tubo, teniendo cada una de la multitud de estructuras, un extremo aguas arriba, un extremo aguas abajo y una pared lateral que encierra un espacio central entre el extremo aguas arriba y el extremo aguas abajo,
en el que un catalizador soportado se dispone dentro del espacio central de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa,
en el que el extremo aguas arriba define una entrada al espacio central,
en el que el espacio central está, al menos parcialmente, bloqueado en el extremo aguas abajo, en el que la pared lateral define una multitud de orificios adecuados para formar chorros de fluido dirigidos desde el espacio central hacia la pared del tubo,
en el que por cada una de la multitud de estructuras en forma de copa, se forma un espacio externo entre la pared lateral y la pared del tubo, extendiéndose el espacio externo desde el extremo aguas arriba al extremo aguas abajo de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa, el espacio externo en comunicación de flujo de fluido con la entrada de una de las estructuras en forma de copa aguas abajo adyacentes y/o con la salida del reactor tubular; y
en el que el área de la sección transversal del espacio externo en un primer plano normal a los ejes del tubo y que pasa a través del extremo aguas abajo de una primera estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa es mayor que el área de la sección transversal del espacio externo en un segundo plano normal a los ejes del tubo y que pasa a través de un orificio adyacente al extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa, dicho orificio que pertenece a la multitud de orificios definidos por la pared lateral de la primera estructura en forma de copa.
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E12164666.
Solicitante: AIR PRODUCTS AND CHEMICALS, INC..
Nacionalidad solicitante: Estados Unidos de América.
Dirección: 7201 HAMILTON BOULEVARD ALLENTOWN, PA 18195-1501 ESTADOS UNIDOS DE AMERICA.
Inventor/es: GARG, DIWAKAR, HE, XIAOYI, NATARAJ, SHANKAR, LICHT, WILLIAM ROBERT, BROEKHUIS,ROBERT ROGER, JIN,BO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- B01J19/30 TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES. › B01 PROCEDIMIENTOS O APARATOS FISICOS O QUIMICOS EN GENERAL. › B01J PROCEDIMIENTOS QUÍMICOS O FÍSICOS, p. ej. CATÁLISIS O QUÍMICA DE LOS COLOIDES; APARATOS ADECUADOS. › B01J 19/00 Procedimientos químicos, físicos o físico-químicos en general; Aparatos apropiados. › Elementos de relleno no aglomerados o con forma, p. ej. anillos de Rasching o elementos de Berl en forma de silla, destinados a ser vertidos en el aparato de transferencia de calor o de materia.
- B01J8/04 B01J […] › B01J 8/00 Procedimientos químicos o físicos en general, llevados a cabo en presencia de fluidos y partículas sólidas; Aparatos para tales procedimientos. › pasando el fluido sucesivamente a través de dos o más lechos.
- B01J8/06 B01J 8/00 […] › en reactores tubulares; las partículas sólidas están dispuestas en tubos.
- C01B3/38 QUIMICA; METALURGIA. › C01 QUIMICA INORGANICA. › C01B ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos de fermentación o procesos que utilizan enzimas para la preparación de elementos o de compuestos inorgánicos excepto anhídrido carbónico C12P 3/00; producción de elementos no metálicos o de compuestos inorgánicos por electrólisis o electroforesis C25B). › C01B 3/00 Hidrógeno; Mezclas gaseosas que contienen hidrógeno; Separación del hidrógeno a partir de mezclas que lo contienen; Purificación del hidrógeno (producción de gas de agua o gas de síntesis a partir de materias carbonosas sólidas C10J). › con catalizadores.
PDF original: ES-2488858_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Reactor tubular con transferencia de calor por choque de chorros ANTECEDENTES
La presente Invención se refiere a reactores tubulares para producir un mezcla de productos a partir de una mezcla de reactivos. Más específicamente, la presente Invención se refiere a mejorar la transferencia de calor en reactores tubulares.
Se han descrito reactores que contienen acondicionamientos con catalizador, por ejemplo, los reactores tubulares utilizados en el reformado de metano con vapor. Los acondicionamientos pueden ser acondicionamientos aleatorios tales como gránulos catalizadores o el llamado acondicionamiento estructurado. Los acondicionamientos estructurados, en comparación con el acondicionamiento aleatorio, pueden producir una menor caída de presión, no son fácilmente fluidificables, y no son propensos a la sedimentación o al aplastamiento. Ya que los reactores tubulares se calientan o se enfrían con frecuencia externamente, otra característica importante del reactor se refiere a la transferencia de calor entre el calor de la fuente/sumidero externos y el fluido de proceso dentro del reactor.
Los reactores tubulares pueden contener acondicionamiento aleatorio o acondicionamiento estructurado en los que el acondicionamiento incluye catalizadores para la reacción deseada. El acondicionamiento estructurado ha sido acreditado con una menor caída de presión en comparación con el acondicionamiento aleatorio.
La transferencia de calor en los reactores tubulares se ha reconocido que es importante. Se han descrito los esfuerzos relativos a la mejora de la transferencia de calor en los reactores tubulares.
Davidson, Patente de EE.UU. N° 4.340.501, describe una estructura en una vasija de reactor en la que el fluido es intermitentemente, pero de manera controlable, puesto en contacto con las paredes de la vasija. Como resultado, Davidson afirma que es posible obtener las características de flujo suave de las estructuras de nido de abeja con las características de transferencia de calor de las camas de partículas.
En la invención según Davidson, el proceso para poner en contacto un fluido con las paredes de una vasija se caracteriza por provocar que el fluido fluya alternativamente (a) a través de una estructura dentro de la vasija, y (b) a través de un gap entre la estructura y la paredes de la vasija. Davidson también describe un aparato para llevar a cabo el proceso que comprende una vasija y una estructura en el interior de la vasija.
Repasky et al., Patente de EE.UU. N° 7.761.994 describe un método y un reactor hechos mediante un método para aumentar la transferencia de calor en un reactor tubular con un acondicionamiento estructurado. El enfoque es para expandir la estructura hacia la pared del reactor tubular durante la construcción, reduciendo así el gap entre la pared y el acondicionamiento. El fluido se comprime entre el acondicionamiento y la pared del tubo. El gap reducido aumenta la velocidad del fluido y por lo tanto aumenta la transferencia de calor.
El documento EP 0 458 472 A describe estructuras de destilación catalítica en forma de recipientes rígidos, preferiblemente de forma cilindrica, que contienen el catalizador y que comprenden aberturas para permitir el paso de vapor y líquido dentro y fuera de los recipientes.
Un problema con este enfoque y cualquier enfoque en el que la transferencia de calor se basa en el gap entre la estructura y la pared del tubo, es que después de un funcionamiento prolongado a alta temperatura y presión, el tubo puede experimentar deformación plástica dependiente del tiempo, comúnmente conocido como "flujo plástico o creep" que resulta en un aumento en el diámetro del tubo y un aumento correspondiente en el hueco entre la pared del tubo y el acondicionamiento estructurado. Dado que el mecanismo para la transferencia de calor se basa en la velocidad del fluido en este gap, y la velocidad disminuye a medida que se incrementa el gap, la transferencia de calor disminuye cuando el tubo se deforma plásticamente. Cuando se reduce la transferencia de calor el rendimiento del reactor disminuye.
Mientras los acondicionamientos aleatorios se pueden mover con la pared del tubo cuando el tubo se deforma plásticamente y la transferencia de calor por lo tanto no depende de un gap entre el acondicionamiento y la pared del tubo, los acondicionamientos aleatorios pueden sufrir grandes caídas de presión como se mencionó anteriormente.
Es deseable mantener la eficacia de la transferencia de calor en un reactor tubular a lo largo de la vida del reactor tubular especialmente cuando el tubo se deforma plásticamente. La presente invención resuelve el problema de la degradación de la transferencia de calor que resulta a partir de la deformación plástica del tubo en un reactor tubular.
Es deseable mejorar la transferencia de calor en los reactores tubulares. La presente invención describe prestaciones adicionales para proporcionar la transferencia de calor mejorada en los reactores tubulares.
BREVE SUMARIO
La presente descripción se refiere a un reactor tubular con características de transferencia de calor mejoradas.
Hay varios aspectos de la descripción como se indica a continuación:
Aspecto #1. Un reactor tubular que tiene una entrada del reactor tubular y una salida del reactor tubular aguas abajo de la entrada del reactor tubular, comprendiendo el reactor tubular:
un tubo que tiene una pared del tubo y un eje en una dirección en sentido longitudinal del tubo, y una pieza de inserción dispuesta dentro del tubo, en que la pieza de inserción comprende:
una multitud de estructuras en forma de copa dispuestas consecutivamente en la dirección longitudinal del tubo, cada una de la multitud de estructuras en forma de copa que tiene un extremo aguas arriba, un extremo aguas abajo y una pared lateral que encierra un espacio central entre el extremo aguas arriba y el extremo aguas abajo,
en el que un catalizador soportado se dispone dentro del espacio central de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa,
en el que el extremo aguas arriba define una entrada para el espacio central,
en el que el espacio central está al menos parcialmente bloqueado en el extremo aguas abajo,
en el que la pared lateral define una multitud de orificios adecuados para formar chorros de un fluido
dirigidos desde el espacio central hacia la pared del tubo,
en el que para cada una de la multitud de estructuras en forma de copa, se forma un espacio externo entre la pared lateral y la pared del tubo, el espacio externo que se extiende desde el extremo aguas arriba al extremo aguas abajo de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa, el espacio externo en comunicación de flujo de fluido con la entrada de una estructura en forma de copa aguas abajo adyacente y/o la salida del reactor tubular; y
en el que el área de la sección transversal del espacio externo en un primer plano normal al eje del tubo y que pasa a través del extremo aguas abajo de una primera estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa es mayor que el área de la sección transversal del espacio externo en un segundo plano normal al eje del tubo y que pasa a través de un orificio adyacente al extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa, dicho orificio que pertenece a la multitud de orificios definidos por la pared lateral de la primera estructura en forma de copa.
Aspecto #2. El reactor tubular del aspecto #1 que además comprende:
un deflector de flujo de cuentas dispuesto en el extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa, comprendiendo el deflector de flujo de cuentas una multitud de cuentas en el que cada una de la multitud de cuentas toca la pared del tubo.
Aspecto #3. El reactor tubular de uno cualquiera de los Aspectos #1 o #2 en el que una segunda estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa se dispone adyacente y aguas arriba de la primera estructura en forma de copa, en el que una distancia de menos de 15 mm separa el extremo aguas abajo de la segunda estructura en forma de copa del extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa.
Aspecto #4. El reactor tubular de uno cualquiera de los Aspectos #1 a #3 en el que el espacio central está al menos parcialmente bloqueado en el extremo aguas abajo mediante una estructura a modo de placa.
Aspecto #5. El reactor tubular de uno cualquiera de los Aspectos #2 a #4 en el que cada una de la multitud de cuentas tiene un agujero definido en la misma, en el que la multitud de cuentas se ensarta en un alambre que pasa a través de cada agujero, teniendo cada... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Un reactor tubular que tiene una entrada al reactor tubular y una salida del reactor tubular aguas abajo de la entrada al reactor tubular, comprendiendo el reactor tubular:
un tubo que tiene una pared del tubo y un eje en una dirección longitudinal del tubo, y una pieza de Inserción dispuesta dentro del tubo, en la que la pieza de inserción comprende:
una multitud de estructuras en forma de copa dispuestas consecutivamente en la dirección longitudinal del tubo, teniendo cada una de la multitud de estructuras, un extremo aguas arriba, un extremo aguas abajo y una pared lateral que encierra un espacio central entre el extremo aguas arriba y el extremo aguas abajo,
en el que un catalizador soportado se dispone dentro del espacio central de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa,
en el que el extremo aguas arriba define una entrada al espacio central, en el que el espacio central está, al menos parcialmente, bloqueado en el extremo aguas abajo, en el que la pared lateral define una multitud de orificios adecuados para formar chorros de fluido dirigidos desde el espacio central hacia la pared del tubo,
en el que por cada una de la multitud de estructuras en forma de copa, se forma un espacio externo entre la pared lateral y la pared del tubo, extendiéndose el espacio externo desde el extremo aguas arriba al extremo aguas abajo de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa, el espacio externo en comunicación de flujo de fluido con la entrada de una de las estructuras en forma de copa aguas abajo adyacentes y/o con la salida del reactor tubular; y en el que el área de la sección transversal del espacio externo en un primer plano normal a los ejes del tubo y que pasa a través del extremo aguas abajo de una primera estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa es mayor que el área de la sección transversal del espacio externo en un segundo plano normal a los ejes del tubo y que pasa a través de un orificio adyacente al extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa, dicho orificio que pertenece a la multitud de orificios definidos por la pared lateral de la primera estructura en forma de copa.
2. El reactor tubular de la reivindicación 1 en el que una segunda estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa se dispone adyacente y aguas arriba de la primera estructura en forma de copa en el que una distancia de menos de 15 mm separa el extremo aguas abajo de la segunda estructura en forma de copa del extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa.
3. El reactor tubular de la reivindicación 1 o 2 que además comprende:
un deflector de flujo de cuentas dispuesto en el extremo aguas arriba de la primera estructura en forma de copa de la multitud de estructuras en forma de copa, comprendiendo el deflector de flujo de cuentas una multitud de cuentas, en el que cada una de la multitud de cuentas toca la pared del tubo.
4. El reactor tubular de la reivindicación 3 en el que cada una de la multitud de cuentas tiene un agujero definido en la misma, en el que la multitud de cuentas se roscan en un alambre que pasa a través de cada agujero, teniendo cada agujero una dimensión mayor que la dimensión del alambre.
5. El reactor tubular de la reivindicación 3 o 4 en el que el deflector de flujo de cuentas se sujeta mediante la pared lateral de la primera estructura en forma de copa.
6. El reactor tubular de la reivindicación 3 o 4 en el que la primera estructura en forma de copa comprende un desviador en el extremo aguas arriba en el que el desviador circunscribe la entrada de la primera estructura en forma de copa, y en el que el deflector de flujo de cuentas se sujeta mediante el desviador.
7. El reactor tubular de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el espacio central está al menos parcialmente bloqueado en el extremo aguas abajo mediante una estructura a modo de placa.
8. El reactor tubular de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la pared lateral de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa es cónica, teniendo un diámetro mayor en el extremo aguas arriba que en el extremo aguas abajo.
9. El reactor tubular de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 en el que la pared lateral de cada una de la multitud de estructuras en forma de copa tiene una parte cilindrica y una parte cónica contigua a la parte cilindrica, en el que la parte cilindrica está aguas arriba de la parte cónica, y en el que la parte cónica tiene un diámetro mayor en su extremo contiguo a la parte cilindrica.
10. El reactor tubular de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que al menos una parte de la multitud de orificios están ranurados.
11. El reactor tubular de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la primera estructura en forma de 5 copa tiene una longitud, L, en la dirección longitudinal, y el tubo tiene un diámetro, D, normal a la dirección
longitudinal, en el que 0,3 < < 3.
12. El reactor tubular de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que una pantalla y/o placa perforada se dispone en el extremo aguas arriba del espacio central de la primera estructura en forma de copa para contener
el catalizador soportado.
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