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ITVR20120098A1 - Reattore chimico - Google Patents

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ITVR20120098A1
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cylindrical wall
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Gabriele Malaspina
Stefano Perandini
Stefano Petitti
Stefano Rossini
Carlo Tregambe
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I C I Caldaie S P A
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Description

REATTORE CHIMICO
DESCRIZIONE
Il presente trovato riguarda un reattore chimico. Sono noti reattori chimici denominati “reformer†che utilizzano dispositivi catalizzatori presentanti un condotto che definisce una camera di reazione dotata di una estremità di ingresso, attraverso la quale entrano nella camera di reazione le sostanze reagenti destinate a reagire chimicamente tra loro mediante una reazione endotermica per generare i prodotti di reazione desiderati, e di una estremità di uscita, attraverso la quale i prodotti della reazione possono fuoriuscire dalla camera di reazione.
All'interno della camera di reazione, tra l'estremità di ingresso e l'estremità di uscita del condotto, à ̈ interposto un catalizzatore della reazione chimica, il quale à ̈ normalmente costituito da un corpo di supporto sulla cui superficie à ̈ applicato il materiale catalizzatore vero e proprio.
Ad esempio sono noti catalizzatori costituiti da granuli di un materiale inerte alla reazione sulla cui superficie esterna à ̈ applicato uno strato del materiale catalizzatore ma sono noti anche catalizzatori costituiti da granuli realizzati da un materiale costituito da una miscela omogenea di un materiale inerte alla reazione e di un materiale catalizzatore della reazione.
Questi granuli formano, all'interno della camera di reazione, un letto catalitico che viene lambito dai reagenti durante il loro percorso all'interno della camera di reazione.
Nei reattori chimici per reazioni endotermiche, all'esterno del condotto in cui avviene la reazione, Ã ̈ presente una sorgente di energia termica che, attraverso le pareti del condotto, fornisce calore alle sostanze reagenti che transitano lungo la camera di reazione, per favorire, in cooperazione con il catalizzatore, la reazione endotermica.
Un problema tecnico riscontrabile nei reattori chimici così strutturati consiste nel fatto che la reazione chimica avviene con un profilo di temperatura disomogeneo all'interno della camera di reazione.
Infatti, durante il funzionamento del reattore, nel condotto del dispositivo catalizzatore si stabilisce un gradiente termico radiale dalla parete calda del condotto, ossia quella direttamente esposta alla sorgente di calore, alla parete fredda del condotto che si trova dalla parte opposta alla parete calda.
Zone troppo calde all'interno della camera di reazione possono rovinare il catalizzatore, ad esempio sinterizzandolo, mentre nelle zone troppo fredde non si ha energia sufficiente per fare avvenire la reazione ad una velocità accettabile, con conseguente spreco di catalizzatore e necessità di avvalersi di reformer costosi di grosse dimensioni.
Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di fornire un reattore chimico che sia in grado di garantire ottimali condizioni di temperatura all'interno della camera di reazione.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato à ̈ quello di mettere a disposizione un reattore chimico che permetta di ottenere una sostanziale uniformità nella distribuzione delle temperature all'interno della camera di reazione. Ancora uno scopo del presente trovato à ̈ quello di fornire un reattore chimico che consenta la realizzazione di reformer di dimensioni compatte ed estremamente efficienti.
Non ultimo scopo del presente trovato à ̈ quello di mettere a punto un reattore chimico che sia di strutturazione molto semplice e di versatile impiego, oltre che di costo contenuto.
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti dal reattore chimico, secondo il trovato, come definito nella rivendicazione 1.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una sua forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, illustrata a titolo indicativo e non limitativo, negli uniti disegni in cui:
la figura 1 mostra in sezione longitudinale il reattore chimico secondo il trovato;
la figura 2 illustra schematicamente in sezione un dispositivo catalizzatore del reattore chimico secondo il trovato.
Con riferimento alle citate figure, il reattore chimico, secondo il trovato, indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 1, comprende, in linea generale, almeno un dispositivo catalizzatore che presenta almeno un condotto di reazione 2, che definisce al proprio interno una camera di reazione 3 dotata di un ingresso 4 per le sostanze reagenti e di una uscita 5 per i prodotti di reazione.
In particolare, la camera di reazione 3 alloggia, tra l'ingresso 4 e l'uscita 5, dei mezzi catalizzatori della reazione chimica, costituiti ad esempio da un letto catalitico destinato ad essere lambito dai reagenti transitanti lungo la camera di reazione 3.
Qualora la reazione chimica da svolgere sia di tipo endotermico, all'esterno del condotto di reazione 2 Ã ̈ prevista una sorgente di calore 6 che ha la funzione di fornire il calore necessario allo svolgimento della reazione chimica all'interno della camera di reazione 3.
Secondo il trovato, nella camera di reazione 3 à ̈ presente una pluralità di corpi di trasmissione del calore 7 realizzati in materiale ad elevata conducibilità termica, i quali consentono di trasportare il calore fornito dalla sorgente di calore 6 tra le pareti della camera di reazione, in modo da omogeneizzare la temperatura all’interno della camera di reazione e del letto catalitico.
Vantaggiosamente, tali corpi di trasmissione del calore 7 presentano una conducibilità termica superiore a quella degli acciai o delle leghe metalliche idonee alla realizzazione delle altre componenti del reattore chimico e, più in particolare, superiore, ad esempio, a 25 W/mK ad una temperatura di circa 800°C.
Opportunamente, i corpi di trasmissione del calore 7, oltre ad essere in materiale resistente alle temperature in gioco, sono realizzati in materiale inerte nei confronti della reazione chimica in svolgimento all'interno della camera di reazione 3.
Preferibilmente, i corpi di trasmissione del calore 7 sono costituiti da elementi granulari del suddetto materiale ad elevata conducibilità termica, i quali formano un insieme incoerente che occupa, almeno parzialmente, la sezione di passaggio del condotto di reazione 2.
In particolare, tali elementi granulari occupano, ad esempio, tra il 10% ed il 70% del volume della camera di reazione e presentano, opportunamente, dimensioni sostanzialmente comprese tra 1 e 5 mm di diametro.
Vantaggiosamente, il letto catalitico à ̈ costituito da una pluralità di corpi o grani di supporto 8, realizzati ad esempio in allumina, di conformazione sferoidale o di altra forma idonea, rivestiti di materiale catalizzatore e miscelati agli elementi granulari che formano i corpi di trasmissione del calore 7, così da realizzare una massa attraversabile dalle sostanze reagenti.
Eventualmente, il materiale catalizzatore può anche essere miscelato al materiale che realizza i corpi di supporto 8.
Ad esempio, i corpi di supporto 8 del materiale catalizzatore possono avere dimensioni comprese sostanzialmente tra 2 e 3 mm.
Nulla vieta, altresì, che il materiale catalizzatore possa essere depositato anche sui corpi di trasmissione del calore 7.
Vantaggiosamente, nella miscela formata dagli elementi granulari che costituiscono i corpi di trasmissione del calore 7 e dai corpi di supporto 8 che realizzano il letto catalitico à ̈ presente una percentuale in volume degli elementi granulari che risulta sostanzialmente compresa tra il 20% e il 80%.
Secondo una forma preferita di realizzazione, gli elementi granulari che costituiscono i corpi di trasmissione del calore 7 sono realizzati da grani di carburo di silicio.
In figura 1 à ̈ mostrato in modo schematico un possibile esempio di attuazione del reattore chimico secondo il trovato, in cui à ̈ prevista una parete cilindrica esterna 9, sostanzialmente coassialmente alla quale à ̈ disposta una parete cilindrica interna 10 che delimita una camera di riscaldamento 11, al cui interno à ̈ alloggiata la sorgente di calore 6, costituita, opportunamente, da un bruciatore 6a, posto assialmente ed in corrispondenza di una estremità longitudinale della camera di riscaldamento 11.
In questo caso, la camera di reazione 3 risulta definita tra la parete cilindrica esterna 9 e la parete cilindrica interna 10, con il suo ingresso 4 situato sostanzialmente ad una estremità assiale della parete cilindrica esterna 9 e della parete cilindrica interna 10 e l'uscita 5 definita all'altra estremità assiale della parete cilindrica esterna 9 e della parete cilindrica interna 10.
Opportunamente, all'interno della camera di riscaldamento 11 à ̈ previsto un elemento tubolare 12, coassiale al bruciatore 6a, attraverso il quale vengono incanalati i fumi caldi di combustione fino alla estremità della camera di riscaldamento 11 opposta al bruciatore 6a, dove i fumi caldi vengono deviati da una parete di fondo 13, in modo che possano lambire la superficie interna della parete cilindrica interna 10 in controcorrente rispetto al flusso dei reagenti all'interno della camera di reazione 3, per poi raggiungere una zona di scarico 14, posta alla medesima estremità longitudinale della camera di riscaldamento 11 in cui à ̈ presente il bruciatore 6a.
Eventualmente, l'elemento tubolare 12 può essere realizzato in carburo di silicio, in modo che, riscaldato dai fumi caldi di combustione, consenta, per irraggiamento, di stabilire una uniformità della temperatura all'interno della camera di reazione 3 anche in senso assiale.
Il funzionamento del reattore chimico secondo il trovato à ̈ il seguente.
Con il bruciatore 6a acceso, i fumi caldi di combustione emessi dal bruciatore 6a lambiscono la parete cilindrica interna 10.
I grani di carburo di silicio che realizzano i corpi di trasmissione del calore 7 posti nella camera di reazione 3 si scaldano e grazie alla loro elevata conducibilità termica trasportano il calore dalla parete calda della camera di reazione 3, ossia la parete cilindrica interna 10, verso la parete fredda della camera di reazione 3, cioà ̈ la parete cilindrica esterna 9, omogeneizzando così la temperatura all’interno del letto catalitico. In questo modo, tutto il materiale catalizzatore lavora nelle condizioni ottimali di temperatura e di conseguenza, a parità di prestazioni richieste, il carico di materiale catalizzatore richiesto risulta ridotto.
E' da notare che il reattore chimico secondo il trovato potrà essere utilizzato anche per svolgere reazioni di tipo esotermico. In questo caso, la sorgente di calore 6 rimarrà spenta o potrà anche essere assente e, per effetto del calore prodotto dalla reazione, i corpi di trasmissione del calore 7 realizzati tramite i grani di carburo di silicio si scalderanno, agevolando il trasferimento del calore verso le pareti della camera di reazione per il suo smaltimento verso l'esterno e stabilendo una uniformità della temperatura nel letto catalitico.
Da quanto sopra esposto si evince chiaramente come il trovato sia in grado di assolvere pienamente al compito e agli scopi proposti.
Va osservato che con il reattore chimico secondo il trovato à ̈ inoltre possibile aumentare radialmente il volume totale di catalizzatore mantenendo comunque piccoli gradienti termici all’interno del letto catalitico. Il tutto si traduce quindi in un reattore chimico più compatto ed efficiente.
E' da notare che tramite il reattore chimico secondo il trovato possono essere, ad esempio, realizzati reformer per la produzione di idrogeno. In tal caso, le sostanze reagenti sono costituite da gas metano e vapore acqueo mentre il letto catalitico potrà essere a base platino o a base nichel.
Tutte le caratteristiche del trovato, su indicate come vantaggiose, opportune o simili, possono anche mancare o essere sostituite da equivalenti. Le singole caratteristiche esposte in riferimento ad insegnamenti generali o a forme di realizzazione particolari, possono essere tutte presenti in altre forme di realizzazione o sostituire caratteristiche in queste forme di realizzazione.
Il trovato così concepito à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo.
Così, ad esempio, si può anche prevedere che la camera di reazione 3 del reattore chimico possa estendersi anche sulla parete di fondo 13 della camera di riscaldamento 11, in modo da risultare in rapporto di scambio termico con essa, ed avere la propria uscita 5 disposta centralmente rispetto alla parete di fondo 13.
In pratica i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze.
Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Reattore chimico comprendente almeno un dispositivo catalizzatore presentante almeno un condotto di reazione (2), internamente definente una camera di reazione (3) dotata di un ingresso (4) per le sostanze reagenti e di una uscita (5) per i prodotti di reazione ed alloggiante, tra detto ingresso (4) e detta uscita (5), mezzi catalizzatori della reazione chimica, caratterizzato dal fatto di comprendere, all'interno di detta camera di reazione (3), una pluralità di corpi di trasmissione del calore (7) realizzati in materiale ad elevata conducibilità termica.
  2. 2. Reattore chimico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti corpi di trasmissione del calore (7) presentano una conducibilità termica superiore a 25 W/mK ad una temperatura di circa 800°C.
  3. 3. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto di comprendere, esternamente a detto condotto di reazione (2), una sorgente di calore (6) preposta a fornire calore alla reazione chimica in svolgimento all'interno di detta camera di reazione (3).
  4. 4. Reattore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti corpi di trasmissione del calore (7) sono in materiale inerte nei confronti della reazione chimica in svolgimento all'interno di detta camera di reazione (3).
  5. 5. Reattore chimico secondo una a più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti corpi di trasmissione del calore (7) comprendono elementi granulari realizzati in detto materiale ad elevata conducibilità termica e formanti un insieme incoerente occupante, almeno parzialmente, la sezione di passaggio di detto condotto di reazione (2).
  6. 6. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti elementi granulari occupano tra il 10% ed il 70% del volume di detta camera di reazione (3).
  7. 7. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti elementi granulari presentano dimensioni sostanzialmente comprese tra 1 e 5 mm di diametro.
  8. 8. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti mezzi catalizzatori comprendono un letto catalitico destinato ad essere lambito dai reagenti transitanti in detta camera di reazione (3).
  9. 9. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detto letto catalitico à ̈ costituito da una pluralità di corpi sferoidali di supporto (8) rivestiti di materiale catalizzatore e miscelati a detti elementi granulari.
  10. 10. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che la miscela tra detti elementi granulari e detti corpi sferoidali di supporto (8) presenta una percentuale in volume di detti elementi granulari sostanzialmente compresa tra il 20% e l'80%.
  11. 11. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti caratterizzato dal fatto che detti elementi granulari comprendono grani di carburo di silicio.
  12. 12. Reattore chimico secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una parete cilindrica esterna (9) ed una parete cilindrica interna (10), sostanzialmente coassiale a detta parete cilindrica esterna (9) e delimitante una camera di riscaldamento (11) alloggiante detta sorgente di calore (6), detta camera di reazione (11) essendo definita tra detta parete cilindrica esterna (9) e detta parete cilindrica interna (10), detto ingresso (4) di detta camera di reazione (3) essendo definito ad una estremità assiale di detta parete cilindrica esterna (9) e di detta parete cilindrica interna (10), detta uscita (5) di detta camera di reazione (3) essendo definita all'altra estremità assiale di detta parete cilindrica esterna (9) e di detta parete cilindrica interna (10).
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