BR112021001421A2 - sistema de reator, e, processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos. - Google Patents

Abstract

Trata-se de um sistema de reator para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos, que inclui um recipiente de retenção de pressão que compreende uma câmara interna e um meio de transferência de calor que converte a corrente elétrica em calor e está posicionado dentro da câmara interna do recipiente de retenção de pressão, em que o meio de transferência de calor compreende uma primeira face de extremidade, uma segunda face de extremidade e canais que se estendem entre a primeira face de extremidade e a segunda face de extremidade. Um processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos inclui introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos no sistema de reator, pressurizar o recipiente de retenção de pressão e o meio de transferência de calor sem aquecer o recipiente de retenção de pressão ou o meio de transferência de calor, fornecer corrente elétrica ao meio de transferência de calor, converter a corrente elétrica em calor, aquecer a corrente que contém hidrocarbonetos e converter a corrente que contém hidrocarbonetos em uma corrente de efluente.

Description

1 / 23 SISTEMA DE REATOR, E, PROCESSO PARA TRATAR

TERMICAMENTE UMA CORRENTE QUE CONTÉM HIDROCARBONETOS REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[001] Este pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente Provisório n° U.S. 62/725.807 depositado em 31 de agosto de 2018, cuja divulgação completa é incorporada ao presente documento a título de referência.

ANTECEDENTES CAMPO

[002] O presente relatório descritivo refere-se, de modo geral, a sistemas e processos para converter uma corrente que contém hidrocarbonetos em produtos desejados ao mesmo tempo em que minimiza-se emissões de dióxido de carbono (CO2) através do uso de corrente elétrica. Em particular, o presente relatório descritivo se refere a sistemas e processos que usam um meio de transferência de calor que converte corrente elétrica em calor para aquecer a corrente que contém hidrocarbonetos.

ANTECEDENTES DA TÉCNICA

[003] Etano, propano, butano, nafta e outros hidrocarbonetos de matéria-prima devem ser valorizados antes que possam ser usados como um produto comercialmente valioso, tais como hidrogênio, olefinas e hidrocarbonetos aromáticos. Esse processo de valorização utiliza convencionalmente um sistema de reator no qual a combustão - como, por exemplo, a combustão de metano - é usada para aquecer o conteúdo de um recipiente de retenção de pressão. O forno de combustão dos sistemas de reatores convencionais produz emissões adicionais de CO2. Uma corrente que contém hidrocarboneto flui através de reatores tubulares dispostos dentro do recipiente de retenção de pressão e os reatores tubulares aquecem a corrente que contém hidrocarbonetos diluindo-a com vapor, convertendo a corrente

2 / 23 que contém hidrocarbonetos em uma corrente efluente que compreende os produtos desejados. No entanto, os reatores tubulares do sistema convencional são propensos à formação de coque devido à temperatura e à influência catalítica negativa. Por sua vez, isso leva à diminuição do tempo de produção, pois o reator deve ser desligado para sofrer reversão do coqueamento. Ao longo do tempo, a deposição de coque degradará as superfícies metálicas de reatores tubulares convencionais, levando a uma perda de integridade estrutural e ao descomissionamento do reator tubular.

[004] Consequentemente, existe uma necessidade de sistemas e processos para converter correntes que contêm hidrocarbonetos em produtos desejados enquanto se reduz as emissões de CO2, tais como aquelas produzidas por sistemas e processos de combustão convencionais e formação de coque catalítico.

SUMÁRIO

[005] De acordo com uma modalidade da presente divulgação, um sistema de reator para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos compreende: um recipiente de retenção de pressão que compreende uma câmara interna definida por uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e pelo menos uma parede lateral que se estende a partir da primeira extremidade até a segunda extremidade; e um meio de transferência de calor que converte corrente elétrica em calor e é posicionado dentro da câmara interna do recipiente de retenção de pressão, em que o meio de transferência de calor compreende uma primeira face de extremidade, uma segunda face de extremidade e canais que se estendem entre a primeira face de extremidade e a segunda face de extremidade.

[006] De acordo com outra modalidade da presente divulgação, um processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos compreende: introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos nos canais de um meio de transferência de calor, em que o meio de transferência de calor é

3 / 23 posicionado dentro de uma câmara interna de um recipiente de retenção de pressão; pressurizar o recipiente de retenção de pressão e o meio de transferência de calor sem aquecer o recipiente de retenção de pressão ou o meio de transferência de calor; fornecer corrente elétrica ao meio de transferência de calor; converter a corrente elétrica em calor, aumentando assim a temperatura do meio de transferência de calor, aquecer a corrente que contém hidrocarbonetos dentro dos canais do meio de transferência de calor; converter a corrente que contém hidrocarbonetos em uma corrente de efluente dentro dos canais do meio de transferência de calor e remover a corrente de efluente dos canais do meio de transferência de calor.

[007] Características e vantagens adicionais serão estabelecidas na descrição detalhada a seguir e, em parte, se tornarão prontamente evidentes para aqueles versados na técnica a partir dessa descrição ou reconhecidas praticando as modalidades descritas no presente documento, incluindo a descrição detalhada a seguir, as reivindicações, bem como os desenhos em anexo.

[008] Será entendido que tanto a descrição geral anterior quanto a descrição detalhada a seguir descrevem várias modalidades e se destinam a fornecer uma visão geral ou estrutura para compreender a natureza e o caráter da matéria reivindicada. Os desenhos anexos são incluídos para fornecer um entendimento adicional das várias modalidades e são incorporados e constituem uma parte deste relatório descritivo. Os desenhos ilustram as várias modalidades descritas no presente documento e juntamente com a descrição servem para explicar os princípios e as operações da matéria reivindicada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[009] A Figura 1 representa esquematicamente uma primeira modalidade de um sistema e processo para converter correntes que contêm hidrocarbonetos em produtos desejados de acordo com modalidades

4 / 23 divulgadas e descritas no presente documento; e

[0010] A Figura 2 representa esquematicamente um recipiente de retenção de pressão e seus componentes de acordo com modalidades divulgadas e descritas no presente documento.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0011] Agora será feita referência em detalhes às modalidades de sistemas e processos para converter correntes que contêm hidrocarbonetos em produtos desejados, tal como, por exemplo, pelo menos um dentre hidrogênio, olefinas ou hidrocarbonetos aromáticos, cujas modalidades são ilustradas nos desenhos anexos. Sempre que possível, os mesmos numerais de referência serão usados em todos os desenhos para se referir às mesmas peças ou a peças similares.

[0012] Em uma modalidade, um sistema de reator para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos compreende: um recipiente de retenção de pressão que compreende uma câmara interna definida por uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e pelo menos uma parede lateral que se estende da primeira extremidade até a segunda extremidade; e um meio de transferência de calor que converte corrente elétrica em calor e é posicionado dentro da câmara interna do recipiente de retenção de pressão, em que o meio de transferência de calor compreende uma primeira face de extremidade, uma segunda face de extremidade e canais que se estendem entre a primeira face de extremidade e a segunda face de extremidade.

[0013] Em outra modalidade, um processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos compreende: introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos nos canais de um meio de transferência de calor, em que o meio de transferência de calor é posicionado dentro de uma câmara interna de um recipiente de retenção de pressão; pressurizar o recipiente de retenção de pressão e o meio de transferência de calor sem aquecer o

5 / 23 recipiente de retenção de pressão ou o meio de transferência de calor; fornecer corrente elétrica ao meio de transferência de calor; converter a corrente elétrica em calor, aumentando assim a temperatura do meio de transferência de calor, aquecendo a corrente que contém hidrocarbonetos dentro dos canais do meio de transferência de calor; converter a corrente que contém hidrocarbonetos em uma corrente de efluente dentro dos canais do meio de transferência de calor e remover a corrente de efluente dos canais do meio de transferência de calor.

[0014] Com referência agora à Figura 1, é fornecida uma modalidade do sistema para converter correntes que contêm hidrocarbonetos em produtos desejados. Deve ser entendido que a modalidade representada na Figura 1 é exemplificativa e não limita o escopo desta divulgação. Conforme mostrado na modalidade representada na Figura 1, um sistema 100 para converter uma corrente que contém hidrocarbonetos 210 em uma corrente de efluente 220 que compreende os produtos desejados inclui, em série e/ou em paralelo, um trocador de calor 110, um recipiente de retenção de pressão 120, um trocador de resfriamento brusco 130, um tambor de refrigerante 140, um superaquecedor 150 e um segundo trocador de calor 160. Deve ser entendido que, de acordo com várias modalidades, o sistema 100 pode incluir várias combinações dos componentes listados acima do sistema 100. Além disso, o sistema 100 pode compreender um ou mais trocadores de calor, que podem ser termicamente acoplados uns aos outros. O sistema 100 pode compreender ainda um ou mais superaquecedores 150, em série e/ou em paralelo.

[0015] De acordo com a modalidade mostrada na Figura 2, o recipiente de retenção de pressão 120 compreende uma câmara interna e um meio de transferência de calor 240. A câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120 é definida por uma primeira extremidade 250, uma segunda extremidade 260 e pelo menos uma parede lateral 230 que se estende da primeira extremidade 250 até a segunda extremidade 260. O meio de

6 / 23 transferência de calor 240 converte a corrente elétrica em calor e é posicionado dentro da câmara interna do recipiente de retenção de pressão

120. Conforme mostrado na modalidade representada na Figura 2, o meio de transferência de calor 240 compreende uma primeira face de extremidade 242, uma segunda face de extremidade 244 e canais 246 que se estendem entre a primeira face de extremidade 242 e a segunda face de extremidade

244. A segunda face de extremidade 244 pode ser colocada contra a segunda extremidade 260 para evitar misturar a corrente que contém hidrocarbonetos 210 e a corrente de efluente 220. Os canais 246 do meio de transferência de calor 240 podem ser acoplados de maneira fluida à câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120. O mecanismo para acoplamento de fluido da segunda extremidade 244 do meio de transferência de calor 240 para uma entrada do trocador de resfriamento brusco 130 pode não ser aquecido. Em modalidades, a corrente que contém hidrocarbonetos 210 entra nos canais 246 do meio de transferência de calor 240 na primeira face de extremidade 242 e percorre através dos canais 246 do meio de transferência de calor 240 para a segunda face de extremidade 244 do material de transferência de calor 240.

[0016] De acordo com as modalidades, o meio de transferência de calor 240 é formado de um material que não é eletricamente condutor e o meio de transferência de calor 240 é capaz de funcionar sob as condições de operação do recipiente de retenção de pressão 120. Além disso, o meio de transferência de calor 240 é formado de um material que não é quimicamente reativo, a menos que se pretenda ser quimicamente reativo para uma finalidade catalítica. Especificamente, o meio de transferência de calor 240 pode não produzir coque catalítico, o que pode estender a vida útil do sistema de reator. Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 pode ser cilíndrico, quadrado, retangular, esférico ou piramidal, embora a geometria do meio de transferência de calor 240 não seja limitada. O meio de

7 / 23 transferência de calor 240 pode ter qualquer formato através do qual a corrente que contém hidrocarbonetos possa fluir. Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 compreende pelo menos um dentre cerâmica e/ou metal. O meio de transferência de calor 240 compreende materiais que não derretem ou deformam sob a temperatura e a pressão das condições de reação. Ou seja, o meio de transferência de calor 240 pode operar a uma temperatura na faixa de 300 °C a 450 °C, ou de 600 °C a 1.200 °C, tal como de 800 °C a 1.000 °C, de 850 °C a 950 °C, ou de 825 °C a 900 °C; e uma pressão de pelo menos 1 bar (100 kPa), tal como pelo menos 2 bar (200 kPa), ou pelo menos 3 bar (300 kPa). Em outras modalidades, a pressão pode ser pelo menos 10 bar (1.000 kPa), pelo menos 15 bar (1.500 kPa), pelo menos 25 bar (2.500 kPa), pelo menos 30 bar (3.000 kPa), pelo menos 40 bar (4.000 kPa) ou pelo menos 50 bar (5.000 kPa). Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 pode operar a uma pressão de 0,5 a 3 bar, de 1 a 3 bar, de 2 a 3 bar, de 0,5 a 2 bar, de 1 a 2 bar ou de 0,5 a 1 bar. Além disso, em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 pode incluir pelo menos um dentre carboneto de silício, grafite e alumínio. Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 pode não incluir nenhum ou altos graus de níquel ou cromo.

[0017] O meio de transferência de calor 240 pode, nas modalidades, ser posicionado de forma removível no recipiente de retenção de pressão 120. Conforme usado ao longo desta divulgação, o termo “posicionado de forma removível” se refere à capacidade de remoção de um componente de sistema de sua colocação dentro do sistema. Especificamente, no que se refere ao meio de transferência de calor 240, o meio de transferência de calor 240 pode ser posicionado dentro do recipiente de retenção de pressão 120 e pode ser removido desta posição, colocado em uma posição alternativa dentro do recipiente de retenção de pressão 120 ou removido do recipiente de retenção de pressão 120 sem danificar o recipiente de retenção de pressão 120 ou o

8 / 23 meio de transferência de calor 240. O meio de transferência de calor 240 pode compreender ainda um resistor elétrico, uma linha de condutores elétricos que é acoplada de forma removível a uma fonte de corrente elétrica e um isolador elétrico. Conforme usado ao longo desta divulgação, o termo “acoplado de forma removível” se refere à capacidade de remoção de um componente do sistema de seu acoplamento dentro do sistema sem danificar qualquer um dos componentes acoplados. Especificamente, no que se refere ao condutor elétrico, o condutor elétrico pode ser acoplado a uma fonte de corrente elétrica e pode ser removido deste acoplamento, o que significa que o condutor elétrico pode não estar mais acoplado a uma fonte de corrente elétrica.

[0018] Conforme discutido acima, o meio de transferência de calor 240 pode compreender ainda um ou mais circuitos elétricos, um resistor elétrico, uma linha de condutores elétricos e um isolador elétrico. O um ou mais circuitos elétricos podem compreender um ou mais eletrodos. Um eletrodo é um condutor elétrico usado para fazer contato com uma parte não metálica de um circuito. Os circuitos elétricos podem conduzir corrente elétrica através do meio de transferência de calor 240. A parte não metálica de um circuito pode, em modalidades, incluir o meio de transferência de calor

240. Os eletrodos podem ser fornecidos na superfície do meio de transferência de calor 240, incorporados no meio de transferência de calor 240 ou ser dispersos por todo o meio de transferência de calor 240, como exemplos não limitantes. A superfície do meio de transferência de calor 240 pode incluir a primeira face de extremidade 242 e a segunda face de extremidade 244 do meio de transferência de calor 240. Uma linha elétrica é um mecanismo de acoplamento elétrico que consiste em um pedaço de fio ou uma almofada de metal que é projetada para acoplar eletricamente dois locais ou aparelhos.

[0019] Um isolador elétrico é um material cujas cargas elétricas internas não fluem livremente; muito pouca corrente elétrica fluirá através

9 / 23 dele sob a influência de um campo elétrico. A propriedade que distingue um isolador elétrico de outros materiais, tais como condutores e semicondutores, é sua resistividade elétrica; isoladores têm resistividade mais alta do que semicondutores ou condutores. Exemplos não limitantes de isoladores elétricos podem incluir vidro ou cerâmica. Em modalidades, o vidro ou a cerâmica que podem resistir às condições de operação no meio de transferência de calor 240 podem ser usados como isoladores elétricos. Além disso, os isoladores elétricos podem ser estanques aos gases, o que significa que o gás não pode vazar do meio de transferência de calor 240 através dos isoladores elétricos.

[0020] Resistores controlam precisamente a quantidade de resistência em um circuito elétrico; fornecendo mais controle sobre a resistividade do que os isoladores. Nas modalidades, um resistor é um componente elétrico passivo de dois terminais que implementa resistência elétrica como um elemento de circuito. Como exemplos não limitantes, os resistores podem ser usados para reduzir o fluxo de corrente e dividir as tensões, gerando assim calor de corrente elétrica de uma forma controlada. Consequentemente, os resistores podem ser usados para converter a corrente elétrica em calor. Os resistores fixos têm resistências que mudam apenas ligeiramente com a temperatura, tempo ou tensão operacional. Os resistores elétricos podem incluir um resistor selecionado especificamente para resistência elétrica específica com a intenção de gerar calor. Resistores elétricos podem ser fornecidos na superfície do meio de transferência de calor 240, incorporados ao meio de transferência de calor 240 ou ser dispersos por todo o meio de transferência de calor 240, como exemplos não limitantes. Assim, em uma ou mais modalidades, a corrente elétrica é introduzida no meio de transferência de calor e a corrente elétrica é convertida em calor pelos resistores, desse modo aquecendo o meio de transferência de calor e, por sua vez, aquecendo os canais dentro do meio de transferência de calor. Em algumas modalidades, tal

10 / 23 como, mas sem limitação, quando o material de transferência de calor compreende grafite, o material de transferência de calor pode servir ainda como um resistor.

[0021] Em algumas modalidades, o isolador elétrico pode ser fornecido entre os resistores elétricos e a câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120, de modo que uma corrente elétrica maior do que a necessária para as condições de reação possa não ser convertida em calor pelos resistores elétricos e possa estar contida dentro do meio de transferência de calor 240 e não se dissipe na câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120. Especificamente, o isolador elétrico pode ser usado para conter a eletricidade dentro do meio de transferência de calor 240, evitando assim que outros componentes do sistema 100 conduzam a corrente elétrica. O material isolante tem resistência elétrica alta o suficiente para evitar a geração de calor. O isolador elétrico transfere corrente elétrica através da parede do equipamento que contém pressão e se acopla ao meio de transferência de calor. O calor dentro do meio de transferência de calor 240 pode ser transferido para o trocador de resfriamento brusco 130 por meio da corrente de efluente 220.

[0022] Conforme divulgado anteriormente, o calor criado pela conversão de corrente elétrica em calor pelos resistores elétricos pode estar contido dentro do meio de transferência de calor 240 e pode não se dissipar na câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120. No entanto, em algumas modalidades, a radiação térmica e outros efeitos térmicos secundários podem fazer com que algum calor se dissipe na câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120 devido ao fluxo de convecção. Para evitar que o calor se dissipe na câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120, o recipiente de retenção de pressão 120 pode ser revestido internamente com um material de isolamento térmico para minimizar a perda de calor e minimizar a transferência de calor do meio de transferência de calor

11 / 23 240 para o recipiente de retenção de pressão 120. Esse material de isolamento térmico pode ser um material refratário, tal como, mas sem limitação, andaluzita, mulcoa, molochita, chamottes, argila, sílica fundida, alta alumina, metacaulim e bentonita. Em algumas modalidades, o material de isolamento térmico pode atuar como uma barreira entre as paredes externas do recipiente de retenção de pressão 120 e o material de transferência de calor 240.

[0023] Em algumas modalidades, o sistema de reator é acoplado a uma fonte de corrente elétrica que fornece corrente elétrica para o meio de transferência de calor 240 através das linhas de condutores elétricos. As linhas de condutores elétricos transferem a corrente elétrica da fonte de corrente elétrica para o meio de transferência de calor 240 disposto dentro do recipiente de retenção de pressão 120 por meio de um acoplamento elétrico com a fonte de corrente elétrica e o meio de transferência de calor 240. Em várias modalidades, a fonte de corrente elétrica pode ser uma fonte de energia renovável, não levando a nenhuma emissão de CO2. A fonte de corrente elétrica pode, nas modalidades, ser uma bateria, energia solar, energia nuclear, energia eólica, energia a vapor, gás natural, energia hidrelétrica, carvão ou similares. A corrente elétrica pode ser diminuída ou aumentada fora do sistema 100. Em algumas modalidades, a corrente elétrica pode ser ativamente controlada, ligada e desligada e diminuída ou aumentada para controlar o calor gerado no meio de transferência de calor 240. Além disso, em algumas modalidades, pode haver mais de uma corrente elétrica através do meio de transferência de calor 240. Esta uma ou mais correntes podem controlar uma ou mais zonas de reação dentro do meio de transferência de calor 240, desse modo gerando calor especificamente em uma ou mais zonas de reação dentro do meio de transferência de calor 240. Uma zona de reação é uma porção do meio de transferência de calor 240 que é capaz de criar condições de reação, conforme definido no presente documento. Em algumas modalidades, essa uma ou mais correntes elétricas podem ser ativamente

12 / 23 controladas e diminuídas ou aumentadas para controlar o calor gerado em uma ou mais zonas de reação no meio de transferência de calor 240.

[0024] Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 compreende uma ou mais zonas de reação. Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 compreende pelo menos duas zonas de reação. As pelo menos duas zonas de reação podem estar em paralelo ou em série. Cada uma dessas pelo menos duas zonas de reação recebe independentemente corrente elétrica que pode ser convertida em calor. A tensão da corrente elétrica juntamente com os amperes específicos da corrente elétrica são indicativos do calor do meio de transferência de calor 240. Especificamente, a temperatura do meio de transferência de calor 240 durante o processo de conversão da corrente que contém hidrocarbonetos 210 pode ser determinada a partir dos valores da resistividade do meio de transferência de calor 240 e dos amperes da corrente elétrica que é convertida em calor no meio de transferência de calor 240. A primeira lei de Joule afirma que a potência (P) de aquecimento gerada por um condutor elétrico é proporcional ao produto de sua resistência (R) e do quadrado da corrente (I), conforme mostrado pela Equação 1: (1)

[0025] Várias zonas do meio de transferência de calor 240 podem, de acordo com modalidades, ser projetadas para ter resistividades diferentes, que podem ser levadas em consideração ao determinar o calor desejado do meio de transferência de calor 240 dentro de zonas específicas. Isso pode ser conseguido fornecendo-se diferentes materiais de resistor e/ou diferentes quantidades de materiais de resistor nas diferentes zonas do meio de transferência de calor 240. Resistividades diferentes podem levar a quantidades diferentes de geração de calor em várias zonas do meio de transferência de calor 240. Quantidades diferentes de geração de calor em várias zonas do meio de transferência de calor 240 também podem ser

13 / 23 realizadas variando a corrente elétrica no meio de transferência de calor 240.

[0026] Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 210 compreende ainda um catalisador. O catalisador pode compreender, de acordo com as modalidades, pelo menos um dentre prata, óxido de ferro, óxido de molibdênio, óxido de vanádio, óxido de cromo, óxido de níquel, óxido de cobre, óxido de zircônio, carbonato de potássio, óxido de potássio, óxido de titânio, óxido de cádmio, óxido de alumínio, óxido de estanho e/ou óxido de platina.

[0027] De acordo com as modalidades, a pressão da câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120 pode ser modificada sem aquecer qualquer uma dentre a primeira extremidade 250 do recipiente de retenção de pressão 120, a segunda extremidade 260 do recipiente de retenção de pressão 120, a pelo menos uma parede lateral 230 do recipiente de retenção de pressão 120 ou o meio de transferência de calor 240. Isto é possível porque o meio de transferência de calor 240 disposto dentro do recipiente de retenção de pressão 120 não é aquecido pelo uso convencional de combustão. Os sistemas de reator convencionais utilizam combustão para criar as condições de reação necessárias para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos 210. A combustão cria a temperatura e a pressão elevadas necessárias para valorizar uma corrente que contém hidrocarbonetos, e a pressão elevada é fornecida dentro dos tubos de reação, criando um diferencial de pressão entre o interior dos tubos de reação e o exterior dos tubos de reação. Portanto, os materiais dos tubos de reação para sistemas de reatores convencionais devem ser escolhidos entre materiais capazes de suportar o diferencial de pressão necessário que isso causa. Por outro lado, os sistemas e processos de reator, de acordo com as modalidades fornecidas neste documento, para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos 210, criam a temperatura elevada convertendo-se a corrente elétrica em calor no meio de transferência de calor 240 e a pressão dentro do

14 / 23 recipiente de retenção de pressão é controlada, se necessário, através de processos convencionais conhecidos na técnica. Os sistemas e processos de reator, de acordo com as modalidades fornecidas neste documento, não criam um diferencial de pressão entre o interior do meio de transferência de calor 240 e o exterior do meio de transferência de calor 240. Em vez disso, a câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120 é pressurizada por meio de meios convencionais, pressionando-se assim a câmara interna e o meio de transferência de calor 240 e evitando um diferencial de pressão. Portanto, o meio de transferência de calor 240 não precisa resistir a um diferencial de pressão, ao contrário dos tubos de reação de sistemas e processos convencionais. Por exemplo, e não a título de limitação, os processos convencionais para aumentar a pressão podem incluir o bombeamento de gás para o recipiente de retenção de pressão 120. O meio de transferência de calor 240 é aquecido por meio da conversão de corrente elétrica em calor no meio de transferência de calor 240, mas este aquecimento é conduzido no meio de transferência de calor 240, não em toda a totalidade do recipiente de retenção de pressão 120. Embora, nas modalidades, o calor possa ser irradiado do meio de transferência de calor 240 para a atmosfera dentro do recipiente de retenção de pressão 120. Isto é, ao contrário dos sistemas convencionais que usaram combustão que aumenta tanto a pressão quanto a temperatura dentro de todo o recipiente de retenção de pressão 120, o sistema e o processo da presente divulgação aumentam diretamente a temperatura do meio de transferência de calor 240 por meio da conversão de corrente elétrica em calor, o que pode aumentar indiretamente a temperatura de todo o recipiente de retenção de pressão 120 dissipando calor do meio de transferência de calor 240 para a atmosfera do recipiente de retenção de pressão 120.

[0028] De acordo com as modalidades, um ou mais componentes adicionais podem ser incluídos no sistema de reator. Nas modalidades,

15 / 23 conforme mostrado na Figura 1, um trocador de calor 110 pode ser acoplado hidraulicamente a uma entrada do recipiente de retenção de pressão 120. Um trocador de resfriamento brusco 130 pode ser acoplado hidraulicamente a pelo menos uma dentre uma saída do recipiente de retenção de pressão 120. Em algumas modalidades, o trocador de resfriamento brusco 130 é acoplado hidraulicamente a todas as saídas do recipiente de retenção de pressão 120. O trocador de resfriamento brusco 130 pode funcionar como um trocador de calor. Um tambor de refrigerante 140 pode ser acoplado hidraulicamente a pelo menos uma dentre uma saída do trocador de resfriamento brusco 130. O tambor de refrigerante 140 pode ser um tambor de vapor como é conhecido na técnica. O tambor de refrigerante 140 é um sistema de refrigeração no qual fluido refrigerante é fornecido do tambor de refrigerante para pelo menos uma saída da saída do trocador de resfriamento brusco 130. Um circuito de circulação de vapor de água pode existir entre o tambor de refrigerante 140 e o trocador de resfriamento brusco 130. Água de alimentação de caldeira pode ser fornecida ao tambor de refrigerante 140 e vapor gerado a partir do tambor de refrigerante. Em algumas modalidades, o trocador de resfriamento brusco 130 e o tambor de refrigerante 140 podem estar contidos em uma estrutura. Um superaquecedor 150 pode ser acoplado de maneira fluida a uma saída do tambor de refrigerante 140. Em algumas modalidades, a saída do tambor de refrigerante 140 pode ser uma saída de vapor. Como exemplo não limitante, o superaquecedor 150 pode ser um superaquecedor elétrico ou um superaquecedor a vapor. Um segundo trocador de calor 160 pode ser termicamente acoplado a uma entrada do trocador de calor 110. O trocador de resfriamento brusco 130 pode ser acoplado de maneira fluida ao segundo trocador de calor 160.

[0029] De acordo com uma ou mais modalidades, um processo para converter uma corrente que contém hidrocarboneto 210 em produtos desejados, tal como, por exemplo, uma corrente de efluente 220 que

16 / 23 compreende pelo menos um dentre hidrogênio, olefinas ou hidrocarbonetos aromáticos que usa o sistema 100 representado na modalidade da Figura 1 será agora descrito. Uma corrente que contém hidrocarbonetos 210 é introduzida no trocador de calor 110. Deve ser entendido que a corrente que contém hidrocarbonetos 210 pode compreender pelo menos um dentre metano, etano, propano, butano, água (H2O) e baixos níveis de CO2, CO, N2, CO, CO2 e H2, de acordo com várias modalidades. Em algumas modalidades, a corrente que contém hidrocarbonetos 210 compreende C1 a C5 hidrocarbonetos. Em outras modalidades, a corrente que contém hidrocarbonetos 210 compreende C1 a C20 hidrocarbonetos. Em ainda outra modalidade, a corrente que contém hidrocarbonetos 210 compreende C1 a C50 hidrocarbonetos.

[0030] O recipiente de retenção de pressão 120, de acordo com as modalidades, pode usar vapor para converter a corrente que contém hidrocarbonetos 210 em uma corrente de efluente 220 que compreende monóxido de carbono (CO) e hidrogênio através de um processo de reforma de metano a vapor no meio de transferência de calor 240. Por exemplo, de acordo com uma ou mais modalidades, a saída dos canais 246 do meio de transferência de calor 240 está em equilíbrio para as seguintes reações: (1) CH4 + H2O  CO + 3H2; e (2) CO + H2O  H2 + CO2. Além disso, o metano e a água não reagidos estarão presentes nas saídas dos canais 246 do meio de transferência de calor 240. Em algumas modalidades, CO, CO2 e N2 podem estar presentes nas saídas dos canais 246 do meio de transferência de calor 240. Além disso, em algumas modalidades, um catalisador à base de níquel pode estar presente nesta reação. Embora a temperatura na qual o meio de transferência de calor 240 é operado não seja particularmente limitada, desde que possa conduzir as reações acima, em uma ou mais modalidades, o meio de transferência de calor 240 será operado a uma temperatura de entrada maior ou igual a 400 graus Celsius (°C) a menor ou igual a 450 °C, tal como

17 / 23 maior ou igual a 415 °C a menor ou igual a 435 °C, ou cerca de 425 °C. Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 é operado a uma temperatura de entrada superior a 600 °C, superior a 700 °C, superior a 800 °C, superior a 900 °C, superior a 950 °C, superior a 1.000 °C, superior a

1.050 °C ou até 1.100 °C. Da mesma forma, a pressão na qual o recipiente de retenção de pressão 120 é operado não é particularmente limitada, desde que possa conduzir as reações acima, em uma ou mais modalidades, o recipiente de retenção de pressão 120 é operado a uma pressão maior ou igual a 38 bar (3,8 MPa) a menor ou igual a 46 bar (4,6 MPa), tal como maior ou igual a 40 bar (4,0 MPa) a menor ou igual a 44 bar (4,4 MPa) ou cerca de 42 bar (4,2 MPa). Em modalidades, a alimentação para o meio de transferência de calor 240 pode compreender de 30% em peso de metano a 40% em peso de metano, tal como de 33% em peso de metano a 38% em peso de metano, ou cerca de 36% em peso de metano. Consequentemente, nas modalidades, a corrente que contém hidrocarbonetos 210 para o meio de transferência de calor 240 pode compreender de 60% em peso de água a 70% em peso de água, tal como de 62% em peso de água a 67% em peso de água, ou cerca de 63% em peso de água.

[0031] O processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos 210 compreende introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos 210 nos canais 246 de um meio de transferência de calor 240. O meio de transferência de calor 240 está posicionado dentro de uma câmara interna de um recipiente de retenção de pressão 120. O processo compreende ainda a pressurização do recipiente de retenção de pressão 120 e do meio de transferência de calor 240 sem aquecer o recipiente de retenção de pressão 120 ou o meio de transferência de calor 240. Os canais 246 do meio de transferência de calor 240 podem ser acoplados de maneira fluida à câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120. Esse acoplamento fluido pode permitir que o recipiente de retenção de pressão 120 e os canais 246

18 / 23 sejam pressurizados. O processo compreende ainda fornecer corrente elétrica para o meio de transferência de calor 240, converter a corrente elétrica em calor, aumentando assim a temperatura do meio de transferência de calor 240 sem aquecer diretamente a câmara interna do recipiente de retenção de pressão 120, desse modo aquecendo a corrente que contém hidrocarbonetos 210 dentro dos canais 246 do meio de transferência de calor 240. Por último, o processo compreende a conversão da corrente que contém hidrocarbonetos 210 em uma corrente de efluente 220 dentro dos canais 246 do meio de transferência de calor 240 e a remoção da corrente de efluente 220 dos canais 246 do meio de transferência de calor 240. O acoplamento fluido da segunda extremidade 244 do meio de transferência de calor 240 a uma entrada do trocador de resfriamento brusco 130 pode ser formado para permitir fluxo laminar e tempo de residência igual da corrente que contém hidrocarbonetos 210 em todos os canais 246 do meio de transferência de calor 240. Embora as figuras mostrem que a corrente que contém hidrocarbonetos 210 e a corrente de efluente 220 entram e saem do recipiente de retenção de pressão 120 em locais diferentes, deve ser entendido que a corrente que contém hidrocarbonetos 210 e a corrente de efluente 220 podem entrar e sair do recipiente de retenção de pressão 120 em qualquer local.

[0032] Converter a corrente que contém hidrocarbonetos 210 na corrente de efluente 220 pode compreender o aumento da temperatura da corrente que contém hidrocarbonetos 210, causando assim uma reação química que produz a corrente de efluente 220. A corrente que contém hidrocarbonetos 210 pode entrar em contato com os canais 246 do meio de transferência de calor 240 sob condições de reação suficientes para formar uma corrente de efluente 220. As condições de reação podem compreender: uma temperatura na faixa de 300 °C a 450 °C, ou de 600 °C a 1.200 °C, tal como de 800 °C a 1.000 °C, ou de 825 °C a 900 °C; e uma pressão de pelo menos 1 bar (100 kPa), tal como pelo menos 2 bar (200 kPa) ou pelo menos 3

19 / 23 bar (300 kPa). Em outras modalidades, a pressão pode ser pelo menos 10 bar (1.000 kPa), pelo menos 15 bar (1.500 kPa), pelo menos 25 bar (2.500 kPa), pelo menos 30 bar (3.000 kPa), pelo menos 40 bar (4.000 kPa) ou pelo menos 50 bar (5.000 kPa). Em algumas modalidades, o meio de transferência de calor 240 é aquecido a uma temperatura superior a 600 °C, superior a 800 °C, superior a 900 °C, superior a 950 °C, superior a 1.000 °C, superior a 1.050 °C, superior a 1.100 °C, superior a 1.150 °C, superior a 1.200 °C ou superior a 1.500 °C. As reações que ocorrem nos canais 246 do meio de transferência de calor 240 produzem uma corrente de efluente 220. Em algumas modalidades, as reações que ocorrem no recipiente de retenção de pressão 120 produzem ainda subprodutos que compreendem um ou mais dentre CO, CO2, H2, H2O, CH4, C2H6, C2H2, C3H6, C3H8 e C3H4.

[0033] A corrente de efluente 220 compreende pelo menos um dentre hidrogênio, olefinas e hidrocarbonetos aromáticos. Em uma ou mais modalidades, a corrente de efluente 220 consiste essencialmente em ou consiste em pelo menos um dentre hidrogênio, olefinas e hidrocarbonetos aromáticos. Em modalidades, as olefinas compreendem C2 a C5 olefinas, tais como, por exemplo, etileno (C2H4), propileno (C3H6) e butileno (C4H8). Em outras modalidades, as olefinas compreendem C2 a C10 olefinas. As olefinas podem compreender C2 a C20 olefinas. Em ainda outra modalidade, as olefinas podem compreender C2 a C50 olefinas. Em algumas modalidades, as olefinas podem compreender diolefinas, tal como butadieno. Os hidrocarbonetos aromáticos podem compreender benzeno e derivados do mesmo, tais como tolueno, etilbenzeno, o-xileno, p-xileno, m-xileno, mesitileno, dureno, 2-fenil- hexano e bifenila. A corrente de efluente 220 é coletada e usada em vários outros processos para produzir produtos finais desejados.

[0034] O processo pode compreender ainda preaquecer a corrente que contém hidrocarbonetos 210 antes de introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos 210 nos canais 246 do meio de transferência de calor 240

20 / 23 passando-se a corrente que contém hidrocarbonetos 210 através de um trocador de calor 110. A temperatura de saída do trocador de calor 110 pode estar abaixo da temperatura operacional dos canais 246 do meio de transferência de calor 240. O segundo trocador de calor 160 pode ser usado para remover calor da corrente de efluente 220, em que o calor removido da corrente de efluente 220 pode ser usado para preaquecer a corrente que contém hidrocarbonetos 210. Este pode ser um componente opcional para os sistemas e processos divulgados no presente documento, uma vez que a corrente que contém hidrocarboneto 210 não precisa ser preaquecida antes da introdução da corrente que contém hidrocarbonetos 210 nos canais 246 do meio de transferência de calor 240, quando a corrente que contém hidrocarbonetos 210 é uma corrente de vapor. Pode haver um ou mais trocadores de calor 110 e 160, que podem estar paralelos e/ou em série. Os trocadores de calor 110 e 160 podem minimizar o consumo de energia elétrica do sistema 110.

[0035] Em algumas modalidades, o processo compreende ainda a remoção de calor da corrente de efluente 220 após a remoção da corrente de efluente 220 do meio de transferência de calor 240 passando-se a corrente de efluente 220 através de um trocador de resfriamento brusco 130. O trocador de resfriamento brusco pode resfriar a corrente de efluente 220 abaixo da temperatura de reação. Resfriar a corrente de efluente 220 abaixo da temperatura de reação evita outras reações, ou conversão, da corrente de efluente 220. Em algumas modalidades, o trocador de resfriamento brusco 130 resfria para a corrente de efluente 220 abaixo de 1.200 °C, abaixo de

1.000 °C, abaixo de 800 °C, abaixo de 600 °C ou abaixo de 500 °C em 1.000 milissegundos, 500 milissegundos, 200 milissegundos, 100 milissegundos ou 50 milissegundos. O trocador de resfriamento brusco 130 pode operar a uma pressão similar ou igual à do recipiente de retenção de pressão 120. O processo pode ainda compreender a passagem de uma corrente de refrigerante

21 / 23 frio 310 através de um tambor de refrigerante 140 e, em seguida, para o trocador de resfriamento brusco 130. O processo pode compreender o resfriamento da corrente de efluente 220 no trocador de resfriamento brusco 130 com a corrente de refrigerante fria 310. O processo pode, então, compreender ainda passar uma corrente de refrigerante quente 320 do trocador de resfriamento brusco 130 para o tambor de refrigerante 140. Em algumas modalidades, o processo compreende ainda passar a corrente de refrigerante quente 320 para um superaquecedor 150. A passagem da corrente de refrigerante quente 320 pode aumentar a eficiência energética do sistema 100 e maximizar o trabalho disponível contido no vapor. O processo pode, então, compreender ainda o uso da corrente de refrigerante quente 320 em outros processos conhecidos na técnica, tal como, como um exemplo não limitante, para acionar uma turbina a vapor. Esses são componentes opcionais para os sistemas e processos divulgados no presente documento, visto que a corrente de efluente 220 pode ser resfriada de acordo com outros métodos conhecidos na técnica. Em algumas modalidades, o processo pode incluir passar a corrente de efluente 220 através de um segundo trocador de calor 160, que pode ser termicamente acoplado ao trocador de calor 110. O segundo trocador de calor 160 pode resfriar a corrente de efluente 220 e transferir calor da corrente de efluente 220 para o trocador de calor 110 para aquecer a corrente que contém hidrocarbonetos 210. Pode haver um ou mais segundos trocadores de calor 160, que podem ser paralelos e/ou em série.

[0036] Pelo menos em parte porque as mesmas não envolvem a combustão de gases dentro da câmara interna do recipiente de retenção de pressão, modalidades de sistemas e processos para conversão de correntes que contêm hidrocarbonetos em produtos desejados divulgados e descritos no presente documento resultarão na diminuição da produção de coque em comparação com processos conhecidos para a conversão de uma corrente que contém hidrocarbonetos em C2 a C5 hidrocarbonetos. O coque pode se formar

22 / 23 devido à formação de coque catalítico na superfície do meio de transferência de calor 240 ou nos canais 246 do meio de transferência de calor 240, ou devido à formação de coque térmico na fase gasosa em massa. O coque térmico que não se deposita na superfície do meio de transferência de calor 240 ou nos canais 246 do meio de transferência de calor 240 pode continuar fluindo com a corrente de efluente 220 para componentes do sistema 100 a jusante do meio de transferência de calor 240. No entanto, se o coque catalítico estiver presente na superfície do meio de transferência de calor 240 ou nos canais 246 do meio de transferência de calor 240, poderá capturar o coque térmico formado na fase gasosa a granel, adicionando mais coque a uma camada de coque nos canais 246 do meio de transferência de calor 240. Os sistemas e processos do presente documento reduzem ou eliminam a formação de coque catalítico no material de transferência de calor 240 e podem estender o período entre os processos de descoqueamento ou eliminar totalmente a necessidade de processos de descoqueamento. Por exemplo, em uma ou mais modalidades, o processo resulta em 25%, 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99% ou 100% menos produção de coque do que processos convencionais. Em algumas modalidades, o processo resulta em nenhuma produção de coque catalítico.

[0037] Além disso, em algumas modalidades, os sistemas e processos divulgados no presente documento não produzem diretamente emissões de CO2 do processo de aquecimento. Especificamente, os sistemas e processos do presente documento utilizam sistemas e processos de aquecimento elétrico, que resultam em nenhuma produção direta de CO2 dos sistemas de aquecimento e processos usados para aquecer o meio de transferência de calor 240, em comparação com os sistemas convencionais que utilizam reações de combustão para gerar calor. Esses sistemas e processos de reação de combustão queimam convencionalmente metano ou outros gases, que produzem CO2 que deve ser emitido a partir do sistema. Ao usar sistemas que

23 / 23 não requerem combustão, a produção de CO2 pode ser reduzida em milhões de toneladas por ano. Deve ficar claro que, embora a corrente de efluente 220 possa incluir CO2, os sistemas e processos divulgados no presente documento não produzem diretamente emissões de CO2 a partir do processo de aquecimento.

[0038] Será evidente àqueles versados na técnica que várias modificações e variações podem ser feitas às modalidades descritas no presente documento sem se afastar da essência e do escopo da matéria reivindicada. Assim, pretende-se que a relatório descritivo cubra as modificações e variações das modalidades descritas, desde que tais modificações e variações estejam dentro do escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes.

Claims (15)

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de reator para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos caracterizado pelo fato de que compreende: um recipiente de retenção de pressão que compreende uma câmara interna definida por uma primeira extremidade, uma segunda extremidade e pelo menos uma parede lateral que se estende da primeira extremidade até a segunda extremidade; e um meio de transferência de calor que converte corrente elétrica em calor e é posicionado dentro da câmara interna do recipiente de retenção de pressão, em que o meio de transferência de calor compreende uma primeira face de extremidade, uma segunda face de extremidade e canais que se estendem entre a primeira face de extremidade e a segunda face de extremidade.

2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de transferência de calor compreende cerâmica.

3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que uma pressão da câmara interna do recipiente de retenção de pressão pode ser modificada sem aquecer qualquer uma dentre a primeira extremidade do recipiente de retenção de pressão, a segunda extremidade do recipiente de retenção de pressão, a pelo menos uma parede lateral do recipiente de retenção de pressão e o meio de transferência de calor.

4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o meio de transferência de calor é posicionado de forma removível no recipiente de retenção de pressão e compreende ainda um resistor elétrico, uma linha de cabo elétrica que é acoplada de forma removível a uma fonte de corrente elétrica e um isolador elétrico.

5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de reator compreende ainda pelo menos um dentre: um trocador de calor fluidamente acoplado a uma entrada do recipiente de retenção de pressão; um trocador de resfriamento brusco fluidamente acoplado a uma saída do recipiente de retenção de pressão; um tambor de refrigerante fluidamente acoplado a pelo menos uma dentre uma saída do trocador de resfriamento brusco e uma entrada do trocador de resfriamento brusco; e um superaquecedor fluidamente acoplado a uma saída do tambor de refrigerante.

6. Processo para tratar termicamente uma corrente que contém hidrocarbonetos caracterizado pelo fato de que compreende: introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos em canais de um meio de transferência de calor, em que o meio de transferência de calor é posicionado dentro de uma câmara interna de um recipiente de retenção de pressão; pressurizar o recipiente de retenção de pressão e o meio de transferência de calor sem aquecer o recipiente de retenção de pressão ou o meio de transferência de calor; fornecer corrente elétrica ao meio de transferência de calor; converter a corrente elétrica em calor, aumentando assim uma temperatura do meio de transferência de calor, aquecer a corrente que contém hidrocarbonetos dentro dos canais do meio de transferência de calor; converter a corrente que contém hidrocarbonetos em uma corrente de efluente dentro dos canais do meio de transferência de calor, e remover a corrente de efluente dos canais do meio de transferência de calor.

7. Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que converter a corrente que contém hidrocarbonetos na corrente de efluente compreende aumentar a temperatura da corrente que contém hidrocarbonetos, causando, assim, uma reação química que produz a corrente de efluente.

8. Processo de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda preaquecer a corrente que contém hidrocarbonetos antes de introduzir a corrente que contém hidrocarbonetos nos canais do meio de transferência de calor passando-se a corrente que contém hidrocarbonetos através de um trocador de calor.

9. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 8, caracterizado pelo fato de que compreende ainda remover calor da corrente de efluente após a remoção da corrente de efluente do meio de transferência de calor passando-se a corrente de efluente através de um trocador de resfriamento brusco.

10. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que o meio de transferência de calor é aquecido a uma temperatura superior a 800 °C.

11. Processo, de qualquer uma das reivindicações 6 a 9, caracterizado pelo fato de que o meio de transferência de calor opera a uma pressão superior a 30 bar.

12. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 11, caracterizado pelo fato de que o meio de transferência de calor opera a uma pressão de 0,5 a 3 bar.

13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 12, caracterizado pelo fato de que a corrente de efluente compreende pelo menos um dentre hidrogênio, olefinas e hidrocarbonetos aromáticos.

14. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 13, caracterizado pelo fato de que a corrente que contém hidrocarbonetos compreende C1 a C10 hidrocarbonetos.

15. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 a 14, caracterizado pelo fato de que a corrente que contém hidrocarbonetos compreende C1 a C25 hidrocarbonetos.