MX2012011047A - Metodo para modificar un reactor de amoniaco de pared caliente que tiene un recipiente con apertura parcial. - Google Patents

Abstract

Un método para modificar un reactor de amoníaco de pared caliente con un recipiente (2) el cual tiene una apertura parcial, que comprende: un ensamble directamente dentro del recipiente (2) de un cartucho del catalizador (7) con elementos modulares, dichos elementos modulares siendo de un tamaño compatible con la introducción en el recipiente, a través de una apertura preexistente parcial (6) del recipiente, y cada uno comprende por lo menos un panel (11); los paneles (11) de dichos elementos modulares forman una pared exterior substancialmente cilíndrica (7a) de dicho cartucho (7), y un espacio de flujo anular (8) entre dicha pared exterior del cartucho y una pared interna del recipiente; dichos paneles (11) son proporcionados con una capa respectiva de aislamiento del calor (13) antes de su introducción en el recipiente (2).

Description

METODO PARA MODIFICAR UN REACTOR DE AMONÍACO DE PARED CALIENTE QUE TIENE UN RECIPIENTE CON UNA APERTURA PARCIAL CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un método para modificar un reactor de amoníaco de pared caliente con un recipiente, que tiene una apertura parcial.

En la presente descripción, el término de pared caliente significa un reactor sin un sistema de fundición del recipiente (pasaje a una corriente de enfriamiento entre el lecho catalítico y un recipiente) en donde, la operación del recipiente alcanza substancialmente la temperatura del lecho.

El término de un reactor que tiene una apertura parcial significa un reactor sin aperturas que tengan substancialmente el mismo tamaño que el diámetro del recipiente.

ARTE PREVIO Un tipo de reactor bien conocido para la síntesis del amoniaco comprende un recipiente exterior substancialmente cilindrico, y un cartucho que contiene al catalizador (lecho catalítico). La carga fresca del gas reactivo, el cual es esencialmente una mezcla de nitrógeno e hidrógeno es circulada en un espacio anular (así llamado anillo) entre dicho recipiente y dicho cartucho, a los fines de enfriar la pared del recipiente. Esta provisión es conocida como fundir el anillo, y el reactor es conocido como de pared fría. Por ejemplo, un reactor de amoníaco con la fundición del anillo es descrito en el documento US 418 701. El enfriamiento del recipiente es considerado de ser apropiado,, ya que el recipiente de acero es expuesto a un ambiente altamente agresivo. Hay también un tipo conocido de reactores de pared caliente, en el cual no hay el flujo antes mencionado. Esto es hecho posible mediante el uso de aceros altamente resistentes, como por ejemplo, un acero que contiene Cr-Mo con la adición de vanadio. Este material hace posible por lo menos, nominalmente, operar el recipiente a una alta temperatura, por ejemplo a aproximadamente 450°C.

Un reactor de pared caliente puede costar menos que un reactor de pared fría de igual capacidad, y por lo tanto estos reactores han atraído un cierto interés. Sin embargo, en la práctica se ha encontrado que el acero que es usado para los reactores de pared caliente, es muy difícil de soldar. La fuerza de la soldadura puede ser inferior, bajo las mismas condiciones, a la de los aceros del tipo estándar. Este problema es empeorado por las condiciones de operación en un ambiente de amoníaco, en particular, debido al fenómeno conocido como el ataque de hidrógeno de alta temperatura, y el fenómeno de nitruración que ocasiona la fragilidad, y aumenta el riesgo de formación de grietas. Las condiciones de stress del recipiente son particularmente severas, debido al efecto combinado de estos problemas metalúrgicos, y la alta temperatura y presión.

En la práctica, a pesar del uso de los aceros altamente resistentes antes mencionados, se ha encontrado que los reactores de pared caliente, muestran grietas en el recipiente, después de un período de operación relativamente corto. En estos casos el reemplazo del recipiente es relativamente caro, y toma un largo tiempo; las reparaciones sencillas no son satisfactorias, ya que esto no elimina las causes de la falla. Es peligroso mantener en operación el reactor dañado, con el riesgo de la falla catastrófica.

Más aún, se debe considerar que un tipo conocido de un reactor de pared caliente, es hecho con una apertura parcial, la cual no hace posible, por ejemplo, para modificar el reactor, al introducir un cartucho del catalizador pre-ensamblado, y mantener el recipiente existente.

Se debe igualmente considerar que un reactor de pared caliente conocido es hecho con una apertura parcial, la cual no permite por ejemplo, el modificar el reactor mediante la inserción de un cartucho del catalizador pre-ensamblado, manteniendo el recipiente existente.

Las desventajas antes mencionadas son igualmente sufridas por las plantes que comprende dos reactores en serie, a saber, un primer reactor que es enfriado con fundición, y un segundo reactor que tiene una construcción sencilla, sin tal provisión. En la práctica, el segundo reactor puede comprende un lecho catalítico simple que en la práctica carezca de un recipiente externo, tal que los paneles para contener el lecho catalítico están asociados directamente con, o dan la cara a la pared interna del recipiente, sin un flujo de enfriamiento. En tal configuración, el recipiente opera en condiciones de "paredes calientes", es decir, durante la operación alcanza básicamente la misma temperatura como el lecho, entre 350 y 500 °C, y típicamente alrededor de 450 °C.

En el arte previo, en una planta del tipo arriba descrito, con dos reactores en serie, el gas de reacción es alimentado completamente al primer reactor, y la mezcla de los reactivos y productos descargados del primer reactor, pasan completamente al segundo reactor, usualmente con un intermediario de enfriamiento. El segundo reactor normalmente tiene un recipiente muy largo cilindrico, por ejemplo en el orden de los 20 metros, y dos aperturas en la parte inferior para la entrada y salida del gas. Las placas de base superior e inferior son soldadas al recipiente cilindrico, es decir, no está disponible una apertura de diámetro completo. Como se indicó más arriba, hasta ahora esta condición se ha hecho parecer de ser substancialmente no práctica, para hacer un cartucho interno.

SUMARIO DE LA INVENCION La invención proporciona resolver el problema antes mencionado. En particular, la invención intenta proporcionar un método ventajoso para re-establecer la operación de un reactor de amoníaco de pared caliente, con una apertura parcial, dañada por grietas debido a las altas temperaturas de operación, y el fenómeno tal como el ataque de hidrógeno y/o la nitruración, causados por el ambiente altamente agresivo. La invención también intenta que las condiciones de operación de un reactor o planta de amoníaco, del tipo que es aquí considerado como seguro.

La idea de formar la base de la invención, es modificando el reactor, al hacerlo operar como un reactor de pared fría, es decir, con una fundición que enfría el recipiente, a través del reemplazo del lecho catalítico pre-existente, con un lecho del cartucho.

El propósito anterior es logrado con un método para modificar un reactor de amoníaco de pared caliente con un recipiente que tiene una apertura parcial, que comprende por lo menos las siguientes operaciones: - Ensamblar directamente dentro del recipiente de un cartucho del catalizador.

Con elementos modulares, dichos elementos modulares son de un tamaño compatible con la introducción del recipiente a través de una apertura parcial pre-existente del recipiente, y cada uno comprende por lo menos un panel; - Los paneles de dichos elementos modulares que forman una pared exterior substancialmente cilindrica de dicho cartucho, y un espacio de flujo anular, entre dicha pared exterior del cartucho y una pared interna del recipiente; - Dichos paneles son pre-configurados con una capa respectiva de aislamiento de calor, antes de su introducción en el recipiente.

La invención proporciona la remoción de un lecho catalítico existente, y el reemplazo con el cartucho antes mencionado, que es pre-configurado en una pluralidad de elementos modulares; dichos elementos son introducidos en el recipiente, haciendo uso de una apertura parcial disponible, y son configurados in loco, es decir, dentro del mismo recipiente. Dichos elementos modulares son ensamblados preferiblemente mediante el uso de soldaduras de ángulo longitudinal, en un área sobrepuesta entre los extremos de dos paneles adyacentes.

La provisión de un aislamiento al calor es ventajoso, ya que el cartucho es configurado dentro del recipiente, y no existe la accesibilidad de realizar un aislamiento externo. La invención resuelve este problema, mediante la pre-configuración de paneles con la porción relativa de aislamiento sobre su parte trasera. Ventajosamente las juntas son hechas para minimizar los puentes térmicos, y aún hacen posible la configuración de los paneles sin el acceso reversible. Se debe notar que la integridad del aislamiento térmico es importante ya que el daño al aislamiento ocasiona problemas para ambos, para el interior del reactor, y ara la presurización del recipiente: por ejemplo el daño al aislamiento puede ocasionar: la obstrucción de las secciones del pasaje para el gas, con el consecuente incremento en las pérdidas de la carga del reactor; la irradiación del cartucho en la dirección del recipiente, lo cual es peligroso, particularmente cuando se apaga, ya que la fundición está ausente.

Preferiblemente, los elementos modulares son pre-fabricados con paredes respectivas perforadas, y un tubo múltiple respectivo para la entrada del gas, hacia el cartucho del catalizador, obteniendo un tubo múltiple del tipo conocido como "scallop". Consecuentemente, los elementos modulares pre-fabricados incorporan tres funciones: el aislamiento externo, el cartucho de carga y el tubo múltiple de entrada de gas, minimizando el número y el tamaño de los sitios de soldaduras. El pa nel represen te substancialmente la parte de carga de un módulo de cartucho.

Preferiblemente, el método para modificar el reactor proporcional el uso de un gas de extinción o enfriamiento para la fundición del recipiente. Es por lo tanto, una configuración preferida, un flujo de un gas de extinción que es alimentado a dicho espacio de flujo anular entre dicho cartucho y dicho recipiente. La ventaja consiste de una reducción de las diferencias de presión que el cartucho debe soportar durante la operación, y por lo tanto un menor grosor de los paneles, de la soldadura longitudinal necesaria entre los mismos paneles, que permita una realización más fácil.

Otro aspecto de la invención es el siguiente. En una planta de amoníaco que comprende por lo menos un primer reactor con un recipiente enfriado mediante la soldadura, y un segundo reactor en serie con el primer reactor, dicho segundo reactor siendo del tipo de pared caliente con un recipiente que tiene una apertura parcial, el segundo reactor puede ser modificado ventajosamente mediante la configuración interna de un cartucho del catalizador, tal como se describió más arriba. En este sentido, el segundo reactor, el cual es más acentuado térmicamente debido a la ausencia de un enfriamiento, es hecho a operar como un reactor de pared fría.

Preferiblemente, la intervención igualmente prevé la provisión de una línea para la desviación al segundo reactor, de un flujo de gas tomado de una materia prima originalmente dirigida al primer reactor, y la alimentación de dicho flujo de gas en un espacio de flujo anular obtenido en el segundo reactor. Tal provisión contempla básicamente el uso de una parte del gas de alimentación al primer reactor, como un gas de fundición del segundo reactor. Este flujo de gas pasa por el primer reactor, con respecto a la configuración de operación original. Esto significa un retroceso ligero desde el punto de vista del proceso, pero se ha encontrado que tal efecto es compensado por la ventaja de colocar el recipiente del segundo reactor, que es muy costoso, de regreso a operar y/o haciéndolo más confiable.

El promedio o tasa de flujo del gas de fundición es calculado preferiblemente tal que la conversión total de los dos reactores es tal, que no incrementa la circulación del gas en el circuito de síntesis, ventajosamente tal que no se tiene que reducir la producción o incrementar el consumo. Esto se hace posible, en general, medíante la explotación de un cierto diseño sobredimensionado del segundo reactor.

La invención permite recuperar un recipiente dañado por la operación a altas temperaturas, en la presencia de hidrógeno (ataque de hidrógeno) y amoníaco (nitruracíón), después de haberse reparado, y poner en funcionamiento el reactor a un menor temperatura, y por ende menos peligrosa. Existe la ventaja de reducir los costos y el tiempo invertidos, para poner nuevamente el reactor en funcionamiento, en comparación con la instalación de un nuevo reactor, reduciendo así el período de tiempo, mediante el cual la producción es detenida, en condiciones peligrosas, con un recipiente que es agrietado o ha sido reparado, pero aún opera a una alta temperatura.

La invención puede ser también aplicada a un reactor que no ha sido dañado aún (agrietado), ya que por propósitos preventivos, se desea llevarlo a condiciones de operación menos severas, es decir, reducir el riesgo de una falla repentina.

Se debe notar que en el arte previo las intervenciones de modificación in situ, son hechas generalmente en reactores de pared fría y con la modificación de un cartucho existente. Sin embargo, en el caso de la invención, se hace un cartucho del catalizador in situ, en un reactor diseñado son un cartucho.

DESCRIPCION DE LAS FIGURAS La Fig. 1 muestra una sección cruzada de un reactor de amoníaco, modificado según una configuración de la invención.

La Fig. 2 muestra esquemáticamente una sección del reactor, de acuerdo con el plano indicado por la línea II en la Fig. 1.

La Fig. 3 muestra un detalle de la junta entre los dos paneles que forman la pared del cartucho del reactor de la Fig. 1.

La Fig. 4 muestra un diagrama de una posible aplicación de la invención, a una planta con reactores de amoníaco en serie.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA REALIZACIÓN PREFERIDA La Fig. 1 muestra un reactor de amoníaco 1 , instalado originalmente para operar en condiciones de paredes calientes, y modificado según la invención. El reactor 1 comprende un contenedor o recipiente 2, y una apertura de entrada de gas 2 y una de salida 3. Las placas de base 4 y 5 están soldadas al recipiente 2; la placa de la base superior hemisférica 4 es equipada con una apertura o boca 6. No hay aperturas disponibles que sean tan anchas como el diámetro, y el reactor 1 es por lo tanto llamado como una apertura parcial. Por ejemplo, en un tipo conocido de un reactor de amoníaco, el diámetro del recipiente 2 es de aproximadamente 3000 mm, en donde dicha apertura 6 tiene un diámetro de menos de un metro, pro ejemplo de 800 mm.

Originalmente el reactor 1 contiene un lecho catalítico que está substancialmente en contacto con el recipiente 2, y que no proporciona enfriamiento a dicho recipiente 2. El lecho original es removido para proceder con la modificación aquí arriba descrita.

El reactor 1 es modificado a través del ensamble directamente dentro del recipiente 2 de un cartucho del catalizador 7. El cartucho 7 es formado desde los elementos modulares que son pre-fabricados e introducidos a través de la apertura disponible 6. El cartucho 7 es tal para dejar un espacio de flujo anular 8 entre su pared exterior y dicho recipiente 2. Por ejemplo, si el diámetro del recipiente es de 3000 mm, el diámetro del cartucho puede ser de 2950 mm, obteniendo un espacio de soldadura de 25 mm.

Durante el uso, una tasa de flujo del gas de fundición es alimentado preferiblemente a través de dicha apertura 6. En el ejemplo, la apertura de entrada 16 para un gas de fundición es hecha en una brida ciega 17, que es proporcionada para cerrar la apertura 6. El gas de fundición pasa hacia el espacio (anillo) 8, enfriando el recipiente 2; a través de una o más entradas radiales 9 se mezcla un conducto central 10 con el flujo principal de alimentación, entrando desde la apertura 2. El mezclado en el conducto 10 lleva los gases reactivos a la temperatura óptima, el gas que entra desde 2 está generalmente a una temperatura mayor que el valor óptimo.

El flujo cruza entonces el lecho del cartucho 7 con un flujo axial-radial, y los productos son reunidos en la apertura de salida 3. La entrada del gas, hacia el lecho catalítico ocurre en parte a través de un tubo múltiple en la parte superior, y en parte a través de las paredes perforadas 14.

Refiriéndonos en mayor detalle a las Figs. 2 y 3, el cartucho 7 tiene un pared exterior substancialmente cilindrica 7a, que es formada desde paneles curvados 11 de los elementos modulares antes mencionados; los paneles 11 son unidos ¡n loco (después de su inserción en el recipiente) mediante soldaduras de ángulo longitudinal 12, en un área sobrepuesta entre los dos paneles adyacentes 1 1.

Cada panel 11 es preparado con una capa de aislamiento térmica respectiva 13, tal que el ensamble del cartucho 7 es completo, la pared exterior 7a es rodeada por una capa térmica 13 sin solución de continuidad. En el detalle de la Fig. 3 es igualmente posible ver el espacio o anillo de soldadura 8, entre la pared interna 2a del recipiente 2, y la superficie exterior del cartucho y el aislamiento relativo 13. La figura también muestra las paredes permeables al gas 14, equipadas preferiblemente con hoyos o ranuras, como por ejemplo del tipo "ranurado".

La Fig. 2 también muestra un tubo múltiple de entrada de gas 15 del tipo "scallop", que permite la entrada del gas, en una dirección substancialmente axial, desde la parte superior del cartucho 7.

Un aspecto preferido de la invención proporciona el uso de una tasa de flujo de gas de extinción o de sofocamiento para el tubo múltiple del reactor 1 , así modificado.

Es conocido que el alimentar un reactor con una porción de gas (entrada principal) previamente calentada, por encima de la temperatura de reacción, y con una menor porción de gas, que no es calentada y por lo tanto a una temperatura menor (de hecho conocido como el gas de extinción); la mezcla entre dichas ambas porciones lleva los reactivos a la temperatura correcta de reacción. Un aspecto de la invención consiste de usar dicho flujo de gas de extinción como un gas de fundición del reactor modificado.

El uso de gas de extinción tiene la ventaja de reducir substancialmente la diferencia de presión (delta p) fuera del cartucho, la cual es reducida por ejemplo a un valor substancialmente por debajo de 1 bar, por ejemplo para ajustarlo a 0.3 bar, en vez de un valor que es generalmente mayor de 1 bar. Consecuentemente, la tensión mecánica a la cual los paneles 11 y las juntas relativas 12 son sometidas durante la operación, es reducida. A los fines de soportar una presión delta p de 2 o 3 bar, es generalmente requerido que los paneles 1 1 tengan un grosor entre 20 y 25 mm; la soldadura con el gas de extinción permite la reducción del grosor a aproximadamente 10 mm haciendo más fácil las soldaduras 12.

La Fig. 4 muestra un ejemplo de una configuración de un reactor 20, enfriado con fundición (pared fría), y un reactor 21 no enfriado (pared caliente), en serie con el primer reactor. De acuerdo al diseño original, la carga de los gases reactivos 22 es alimentada completamente al primer reactor 20, y el flujo 24 de los reactivos/productos pasa al reactor 21 subsiguiente, operando en serie, después del enfriado en un intercambiador térmico 25.

En una de las configuraciones de la invención, el reactor 21 es modificado por un ensamble o configuración interna de un cartucho del catalizador, y haciendo un anillo entre el cartucho y el recipiente, substancialmente como en la Fig. 1. Más aún, un flujo 23 es tomado desde la corriente 22 y es alimentado como un gas de extinción y un recipiente de enfriamiento al reactor 21 , más específicamente a dicho anillo, obtenido en el reactor 21. Se debe notar que dicho flujo 23 básicamente pasa a través del reactor 20. La reducción en los reactivos disponibles en el reactor 20, es sin embargo compensada por la ventaja de recuperar el reactor 21 y/o hacerlo más seguro o confiable.

Claims (3)

Un método para modificar un reactor de amoníaco de pared caliente con un recipiente (2) que tiene una apertura parcial, que comprende: - el ensamble de un cartucho del catalizador (7) con elementos modulares, directamente dentro del recipiente (2), dichos elementos modulares son de un tamaño compatible con la introducción en el recipiente, a través de una apertura parcial pre-existente (6) del recipiente, y cada uno comprende por lo menos un panel (1 1 ); - los paneles (1

1) de dichos elementos modulares forman una pared exterior substancialmente cilindrica (7a) de dicho cartucho (7), y un espacio de flujo anular (8) entre dicha pared exterior del cartucho y una pared interna del recipiente; - dichos paneles ( ) están pre-configurados con una capa respectiva de aislamiento de calor (13) antes de su introducción en el recipiente (

2). Un método para modificar un reactor de amoníaco según la reivindicación 1 , dichos elementos modulares son ensamblados dentro del recipiente (2) haciendo soldaduras de ángulo longitudinal (12) en un área sobrepuesta entre los extremos de dos paneles adyacentes (1 1 ). Un método para modificar un reactor de amoníaco según la reivindicación 1 , dichos elementos modulares comprenden paredes perforadas respectivas (14) y un tubo múltiple respectivo para la entrada del gas en el cartucho del catalizador (7). Un método para modificar un reactor de amoníaco según la reivindicación 1 , dicho reactor es alimentado originalmente con un flujo principal de gas calentado, y con un flujo de gas extinguido a una temperatura menor, el método proporciona alimentar al menos una parte de dicho flujo de gas sofocado, en dicho espacio de flujo anular (8), obtenido después del ensamble de dicho cartucho (7), dicha parte de gas sofocado es usado en las operaciones, como un gas de extinción o de enfriamiento del recipiente. Un método para modificar una planta de amoníaco que comprende por lo menos un primer reactor (20) con un recipiente enfriado mediante fundición, y un segundo reactor (21) en serie con el primer reactor, dicho segundo reactor (21 ) siendo del tipo de pared caliente con un recipiente que tiene una apertura parcial, el método comprende el ensamble de dicho segundo reactor (21) en el recipiente (21) de un cartucho del catalizador (7), según la reivindicación 1. Un método para modificar una planta de amoníaco según la reivindicación 5, que comprende la provisión de una línea de un flujo de gas (2

3) para la desviación a dicho segundo reactor (21 ), dicho flujo de gas tomado a partir de la materia prima (22) dirigida originalmente al primer reactor, dicho flujo de gas siendo alimentado, durante la operación hacia un espacio de flujo anular (8) obtenido en dicho segundo reactor (21 ). Un método para modificar una planta de amoníaco según la reivindicación 6, en donde durante la operación la tasa de flujo del flujo de gas (23) es tal que no aumenta la tasa de flujo de gas total, el cual circula en el circuito de síntesis.