ITVR20120101A1 - CHEMICAL REACTOR STRUCTURE - Google Patents
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Description
STRUTTURA DI REATTORE CHIMICO CHEMICAL REACTOR STRUCTURE
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Il presente trovato riguarda una struttura di reattore chimico. The present invention relates to a chemical reactor structure.
Sono noti reattori chimici, utilizzati, in particolare, in processi di “steam reforming†, che presentano una struttura di contenimento a sviluppo assiale, al cui interno à ̈ assialmente definita una camera di riscaldamento che alloggia una sorgente di calore, tipicamente costituita da un bruciatore posizionato ad una estremità assiale della camera di riscaldamento. Chemical reactors are known, used, in particular, in â € œsteam reformingâ € processes, which have a containment structure with axial development, inside which a heating chamber is axially defined which houses a heat source, typically consisting of a burner positioned at one axial end of the heating chamber.
Lateralmente alla camera di riscaldamento à ̈ presente almeno un condotto di reazione che si estende secondo una direzione sostanzialmente parallela all'asse della camera di riscaldamento e che presenta una zona di imbocco, situata ad una estremità longitudinale della struttura di contenimento, per l'ingresso delle sostanze reagenti, e una zona di uscita, posta all'altra estremità longitudinale della struttura di contenimento, per l'evacuazione dei prodotti della reazione. On the side of the heating chamber there is at least one reaction duct which extends in a direction substantially parallel to the axis of the heating chamber and which has an inlet area, located at a longitudinal end of the containment structure, for the inlet. of the reacting substances, and an exit area, placed at the other longitudinal end of the containment structure, for the evacuation of the reaction products.
All'interno del condotto di reazione à ̈ collocato un catalizzatore, normalmente costituto da un letto catalitico formato da una pluralità di corpi di forma sostanzialmente sferoidale sulla cui superficie esterna à ̈ applicato uno strato di materiale catalizzatore della reazione chimica in svolgimento nel condotto di reazione. Inside the reaction conduit there is a catalyst, normally consisting of a catalytic bed formed by a plurality of substantially spheroidal shaped bodies on whose external surface a layer of catalyst material of the chemical reaction taking place in the reaction conduit is applied. .
Durante il funzionamento dei reattori chimici così strutturati, i fumi caldi di combustione prodotti dal bruciatore attraversano in senso assiale la camera di riscaldamento cedendo calore al condotto di reazione per lo svolgimento della reazione chimica tra le sostanze reagenti che transitano al suo interno. During the operation of the chemical reactors structured in this way, the hot combustion fumes produced by the burner cross the heating chamber in an axial direction, transferring heat to the reaction duct for the chemical reaction between the reactive substances passing through it.
Di conseguenza, si instaura un gradiente termico assiale lungo la direzione di propagazione dei fumi, in quanto i fumi, che partono caldi dal bruciatore, si raffreddano progressivamente lungo il loro percorso all'interno della camera di riscaldamento, man mano che cedono calore per alimentare la reazione chimica che si svolge all'interno del condotto di reazione. Consequently, an axial thermal gradient is established along the direction of propagation of the fumes, as the fumes, which start hot from the burner, gradually cool down along their path inside the heating chamber, as they release heat to feed the chemical reaction that takes place inside the reaction duct.
L'inconveniente à ̈ dunque quello che la reazione endotermica all'interno del condotto di reazione avviene con un profilo di temperatura disomogeneo. The drawback is therefore that the endothermic reaction inside the reaction conduit takes place with an inhomogeneous temperature profile.
Punti troppo caldi lungo il condotto di reazione possono rovinare il catalizzatore ad esempio sinterizzandolo, mentre punti troppo freddi non hanno energia sufficiente per fare avvenire la reazione ad una velocità accettabile. Points that are too hot along the reaction line can ruin the catalyst for example by sintering it, while points that are too cold do not have sufficient energy to make the reaction take place at an acceptable speed.
Compito precipuo del presente trovato à ̈ quello di fornire una valida soluzione al problema tecnico sopra esposto, escogitando una struttura di reattore chimico che sia in grado di garantire ottimali condizioni di temperatura all'interno del condotto di reazione. The aim of the present invention is to provide a valid solution to the technical problem described above, devising a chemical reactor structure capable of guaranteeing optimal temperature conditions inside the reaction conduit.
Nell'ambito di questo compito, uno scopo del trovato à ̈ quello di realizzare una struttura di reattore chimico che possa realizzare una sostanziale uniformità della temperatura lungo la direzione di estensione del condotto di reazione. Ancora uno scopo del presente trovato à ̈ quello di fornire una struttura di reattore chimico costruttivamente molto semplice da realizzare e di dimensioni compatte. Within this aim, an object of the invention is to provide a chemical reactor structure which can achieve substantial temperature uniformity along the direction of extension of the reaction conduit. Another object of the present invention is to provide a chemical reactor structure which is constructively very simple to produce and compact in size.
Non ultimo scopo del presente trovato à ̈ quello di mettere a punto una struttura di reattore chimico che possa essere di costo contenuto. Not least object of the present invention is to provide a chemical reactor structure which can be of low cost.
Questo compito, nonché questi ed altri scopi che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti dalla struttura di reattore chimico, secondo il trovato, come definita nella rivendicazione 1. This aim, as well as these and other objects which will become clearer hereinafter, are achieved by the chemical reactor structure according to the invention, as defined in claim 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 l'unica figura rappresenta schematicamente in sezione longitudinale la struttura di reattore chimico secondo il trovato. Further characteristics and advantages of the invention will become clearer from the description of a preferred but not exclusive embodiment thereof, illustrated by way of non-limiting example, in the accompanying drawings in which the only figure schematically represents in longitudinal section the chemical reactor structure according to the found.
Con riferimento alla citata figura, la struttura di reattore chimico, secondo il trovato, indicata nel suo complesso con il numero di riferimento 1, comprende una struttura di contenimento 2 a sviluppo longitudinale, la quale definisce assialmente, al proprio interno, una camera di riscaldamento 3, in cui à ̈ alloggiata una sorgente di calore 4. With reference to the aforementioned figure, the chemical reactor structure according to the invention, indicated as a whole with the reference number 1, comprises a longitudinal containment structure 2, which axially defines, internally, a heating chamber 3, which houses a heat source 4.
Lateralmente alla camera di riscaldamento 3 Ã ̈ disposto almeno un condotto di reazione 5 che si estende secondo una direzione sostanzialmente parallela all'asse della camera di riscaldamento 3 e che presenta un ingresso 6 per le sostanze reagenti ed una uscita 7 per i prodotti di reazione. At the side of the heating chamber 3 there is at least one reaction duct 5 which extends in a direction substantially parallel to the axis of the heating chamber 3 and which has an inlet 6 for the reactants and an outlet 7 for the reaction products. .
All'interno del condotto di reazione 5 à ̈, in pratica, definita una camera di reazione in cui à ̈, opportunamente, posizionato un catalizzatore che consente di aumentare la velocità di reazione tra le sostanze reagenti transitanti nel condotto di reazione 5. In practice, a reaction chamber is defined inside the reaction conduit 5 in which a catalyst is suitably positioned which allows to increase the reaction speed between the reacting substances passing through the reaction conduit 5.
La peculiarità del trovato consiste nel fatto di comprendere, all'interno della struttura di contenimento 2, almeno un corpo di trasmissione del calore 8, realizzato in un materiale ad elevata conducibilità termica, che si estende secondo una direzione sostanzialmente parallela all'asse della camera di riscaldamento 3 e che consente, una volta scaldatosi per effetto del calore fornito dalla sorgente di calore 4, di riscaldare a sua volta la camera di reazione in modo omogeneo, riducendo le differenze di temperatura in senso longitudinale nel condotto di reazione 5. The peculiarity of the invention consists in the fact that it comprises, inside the containment structure 2, at least one heat transmission body 8, made of a material with high thermal conductivity, which extends in a direction substantially parallel to the axis of the chamber. heating element 3 and which allows, once heated by the effect of the heat supplied by the heat source 4, to heat the reaction chamber in a homogeneous way, reducing the temperature differences in the longitudinal direction in the reaction duct 5.
Opportunamente, il corpo di trasmissione del calore 8 presenta una conducibilità termica superiore a quella dei materiali metallici idonei 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. A tale scopo, il corpo di trasmissione del calore 8 viene preferibilmente realizzato in carburo di silicio, in quanto tale materiale, oltre ad avere una conducibilità termica estremamente elevata, presenta una elevata resistenza alle temperature in gioco. Conveniently, the heat transmission body 8 has a thermal conductivity higher than that of the metal materials suitable for making the other components of the chemical reactor and, more particularly, higher, for example, than 25 W / mK, at a temperature of about 800 ° C. For this purpose, the heat transmission body 8 is preferably made of silicon carbide, since this material, in addition to having an extremely high thermal conductivity, has a high resistance to the temperatures involved.
Così, in pratica, il carburo di silicio con cui à ̈ realizzato il corpo di trasmissione del calore 8, una volta scaldato dalla sorgente di calore 4, à ̈ in grado, a sua volta, grazie alla sua elevata conducibilità termica, di scaldare, per irraggiamento, la parte di reattore in cui à ̈ contenuto il catalizzatore in modo omogeneo. In questo modo si ottiene una riduzione delle differenze di temperatura assiali all'interno del reattore chimico. Thus, in practice, the silicon carbide with which the heat transfer body 8 is made, once heated by the heat source 4, is able, in turn, thanks to its high thermal conductivity, to heat , by irradiation, the part of the reactor in which the catalyst is homogeneously contained. In this way, a reduction of the axial temperature differences within the chemical reactor is achieved.
Entrando nei dettagli, il corpo di trasmissione del calore 8 si sviluppa, vantaggiosamente, all'interno della camera di riscaldamento 3 sostanzialmente coassialmente all'asse della camera di riscaldamento 3 stessa. Going into the details, the heat transmission body 8 advantageously develops inside the heating chamber 3 substantially coaxially to the axis of the heating chamber 3 itself.
Preferibilmente, la sorgente di calore 4 comprende un bruciatore 4a, il quale risulta disposto sostanzialmente in corrispondenza di una estremità assiale della camera di riscaldamento 3 e sostanzialmente coassialmente all'asse della camera di riscaldamento 3 stessa. Preferably, the heat source 4 comprises a burner 4a, which is arranged substantially at an axial end of the heating chamber 3 and substantially coaxially with the axis of the heating chamber 3 itself.
Opportunamente, il corpo di trasmissione del calore 8 si estende tra una zona prossima al bruciatore 4a ed una zona prossima alla estremità assiale della camera di riscaldamento 3 opposta rispetto a quella in cui à ̈ disposto il bruciatore 4a, in modo da interessare sostanzialmente tutto lo sviluppo longitudinale della camera di riscaldamento o quantomeno una maggior parte di esso. Conveniently, the heat transmission body 8 extends between an area close to the burner 4a and an area close to the axial end of the heating chamber 3 opposite to that in which the burner 4a is arranged, so as to substantially affect the entire longitudinal development of the heating chamber or at least a majority of it.
Secondo una forma preferita di realizzazione, il corpo di trasmissione del calore 8 comprende almeno un elemento tubolare 9 che risulta disposto sostanzialmente coassialmente alla camera di riscaldamento 3 e che presenta una estremità di imbocco 9a, per l'ingresso al suo interno dei fumi caldi di combustione prodotti dal bruciatore 4a, ed una estremità di uscita 9b, dalla quale i fumi caldi di combustione possono fuoriuscire dall'elemento tubolare 9. According to a preferred embodiment, the heat transmission body 8 comprises at least one tubular element 9 which is arranged substantially coaxially to the heating chamber 3 and which has an inlet end 9a, for the entry of hot fumes inside it. combustion produced by the burner 4a, and an outlet end 9b, from which the hot combustion fumes can escape from the tubular element 9.
Opportunamente, l'elemento tubolare 9 viene utilizzato per creare una inversione dei fumi caldi di combustione all'interno della camera di riscaldamento 3. Conveniently, the tubular element 9 is used to create an inversion of the hot combustion fumes inside the heating chamber 3.
Più in particolare, l'elemento tubolare 9 si sviluppa a partire dal bruciatore 4a fino ad una zona prossima ad una parete di fondo 10 della camera di riscaldamento 3 che risulta situata alla estremità assiale della camera di riscaldamento 3 opposta rispetto a quella in cui si trova il bruciatore 4a. More specifically, the tubular element 9 extends starting from the burner 4a up to an area close to a bottom wall 10 of the heating chamber 3 which is located at the axial end of the heating chamber 3 opposite to that in which it is find burner 4a.
In questo modo, si definisce un percorso per i fumi caldi di combustione all'interno della camera di riscaldamento 3 che presenta un tratto di andata che si estende all'interno dell'elemento tubolare 3 dal bruciatore 4a verso la parete di fondo 10 ed un tratto di ritorno che si estende all'esterno dell'elemento tubolare dalla parete di fondo 10 verso l'estremità assiale della camera di riscaldamento 3 in cui si trova il bruciatore 4a, dove à ̈, vantaggiosamente, prevista almeno una zona di scarico 11 dei fumi caldi di combustione dalla camera di riscaldamento. In this way, a path is defined for the hot combustion fumes inside the heating chamber 3 which has a forward section which extends inside the tubular element 3 from the burner 4a towards the bottom wall 10 and a return section extending outside the tubular element from the bottom wall 10 towards the axial end of the heating chamber 3 in which the burner 4a is located, where, advantageously, at least one discharge area 11 of the hot combustion fumes from the heating chamber.
E' da notare che lungo il tratto di ritorno, i fumi caldi di combustione vanno, opportunamente, a lambire il condotto di reazione 5 cedendo calore alle sostanze reagenti che transitano al suo interno. It should be noted that along the return section, the hot combustion fumes suitably lick the reaction duct 5, giving heat to the reactive substances passing through it.
Con specifico riferimento alla forma di realizzazione mostrata nell'unica figura, la struttura di contenimento 2 comprende una prima parete cilindrica 12 all'interno della quale à ̈ coassialmente disposta una seconda parete cilindrica 13 che delimita la camera di riscaldamento 3. With specific reference to the embodiment shown in the single figure, the containment structure 2 comprises a first cylindrical wall 12 inside which a second cylindrical wall 13 is coaxially disposed which delimits the heating chamber 3.
Con questa strutturazione, si ha che il condotto di reazione 5 può essere definito tra la prima parete cilindrica 12 e la seconda parete cilindrica 13. With this structuring, the reaction conduit 5 can be defined between the first cylindrical wall 12 and the second cylindrical wall 13.
In particolare, si prevede che l'ingresso 6 del condotto di reazione 5 si trovi ad una estremità dello stesso prossima al bruciatore 4a, mentre l'uscita ad una estremità prossima alla parete di fondo 10, in modo tale che il flusso delle sostanze reagenti all'interno del condotto di reazione risulti in controcorrente rispetto al tratto di ritorno dei fumi caldi di combustione all'interno della camera di riscaldamento 3. In particular, it is envisaged that the inlet 6 of the reaction duct 5 is located at one end of the same close to the burner 4a, while the outlet is located at an end close to the bottom wall 10, so that the flow of the reacting substances inside the reaction duct is in countercurrent with respect to the return section of the hot combustion fumes inside the heating chamber 3.
Vantaggiosamente, il catalizzatore situato nel condotto di reazione 5 Ã ̈ costituito da un letto catalitico, formato da corpi granulari 14 rivestiti di o contenenti materiale catalizzatore, che risulta miscelato a grani di carburo di silicio 15, che hanno la funzione di favorire la trasmissione del calore radialmente all'interno del condotto di reazione 5. Advantageously, the catalyst located in the reaction duct 5 consists of a catalytic bed, formed by granular bodies 14 coated with or containing catalyst material, which is mixed with silicon carbide grains 15, which have the function of favoring the transmission of the heat radially inside the reaction line 5.
Il funzionamento della struttura di reattore secondo il trovato à ̈ il seguente. The operation of the reactor structure according to the invention is as follows.
Il bruciatore 4a produce per combustione fumi caldi che, dalla estremità di imbocco 9a dell'elemento tubolare 9, si incanalano nell'elemento tubolare 9 fino a raggiungerne l'estremità di uscita 9b, dove subiscono una inversione del loro flusso da parte della parete di fondo 10, così da potersi incanalare tra la superficie esterna dell'elemento tubolare 9 e la superficie interna della seconda parete cilindrica 10 fino a raggiungere la zona di scarico 11, attraverso la quale fuoriescono dalla camera di riscaldamento 3. The burner 4a produces by combustion hot fumes which, from the inlet end 9a of the tubular element 9, are channeled into the tubular element 9 until reaching the outlet end 9b, where they undergo an inversion of their flow by the bottom 10, so that it can be channeled between the external surface of the tubular element 9 and the internal surface of the second cylindrical wall 10 until reaching the discharge area 11, through which they exit from the heating chamber 3.
Durante il loro percorso all'interno della camera di riscaldamento, i fumi caldi di combustione cedono calore alle sostanze reagenti che transitano nel condotto di reazione 5 e all'elemento tubolare 9 che realizza il corpo di trasmissione del calore 8. During their journey inside the heating chamber, the hot combustion fumes transfer heat to the reactant substances which pass through the reaction duct 5 and to the tubular element 9 which forms the heat transmission body 8.
Grazie alla sua elevata conducibilità termica, il carburo di silicio con cui viene realizzato il corpo di trasmissione del calore 8 si scalda molto rapidamente ed in modo uniforme e trasmette calore per irraggiamento, scaldando omogeneamente il condotto di reazione 5, ossia la parte di reattore in cui à ̈ contenuto il catalizzatore. Thanks to its high thermal conductivity, the silicon carbide with which the heat transfer body 8 is made heats up very quickly and uniformly and transmits heat by radiation, homogeneously heating the reaction duct 5, that is the part of the reactor in which contains the catalyst.
In questo modo, si ottiene una riduzione delle differenze di temperatura assiali all'interno della struttura di contenimento 2 e lungo il condotto di reazione 5. In this way, a reduction of the axial temperature differences within the containment structure 2 and along the reaction line 5 is obtained.
Inoltre, i grani di carburo di silicio 15 posti all'interno del letto catalitico facilitano la trasmissione del calore all'interno del condotto di reazione 5 in senso radiale riducendo le differenze di temperatura anche lungo questa direzione. Furthermore, the silicon carbide grains 15 placed inside the catalytic bed facilitate the transmission of heat inside the reaction duct 5 in a radial direction, reducing the temperature differences also along this direction.
Da quanto sopra esposto si evince chiaramente come il trovato sia in grado di assolvere pienamente al compito e agli scopi proposti. From the foregoing it is clear that the invention is capable of fully achieving the intended aim and objects.
Si à ̈ in pratica constatato come la struttura di reattore chimico secondo il trovato possa trovare una valida applicazione nella realizzazione di “steam reformer†per la produzione di idrogeno. In practice, it has been found that the chemical reactor structure according to the invention can find a valid application in the production of â € œsteam reformerâ € for the production of hydrogen.
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. All the characteristics of the invention, indicated above as advantageous, convenient or the like, can also be missing or be replaced by equivalents. The individual characteristics set forth with reference to general teachings or particular embodiments can all be present in other embodiments or substitute features in these embodiments.
Il trovato così concepito à ̈ suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo. The invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all of which are within the scope of the inventive concept.
Così, ad esempio, secondo una possibile variante realizzativa, si può anche prevedere che la camera di reazione che contiene il catalizzatore ovvero il condotto di reazione 5 possano estendersi anche sulla parete di fondo 10 della camera di riscaldamento 3, in modo da risultare in rapporto di scambio termico con essa. In tal caso, il condotto di reazione 5 potrà presentare un'unica uscita 6 in posizione centrale rispetto alla parete di fondo 10. Thus, for example, according to a possible variant embodiment, it can also be provided that the reaction chamber containing the catalyst or the reaction duct 5 can also extend over the bottom wall 10 of the heating chamber 3, so as to result in heat exchange ratio with it. In this case, the reaction duct 5 may have a single outlet 6 in a central position with respect to the bottom wall 10.
In pratica i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme potranno essere qualsiasi, a seconda delle esigenze. In practice, the materials used, as long as they are compatible with the specific use, as well as the dimensions and shapes, may be any according to requirements.
Inoltre, tutti i dettagli sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. Furthermore, all the details can be replaced by other technically equivalent elements.
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| IT000101A ITVR20120101A1 (en) | 2012-05-18 | 2012-05-18 | CHEMICAL REACTOR STRUCTURE |
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Citations (8)
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- 2012-05-18 IT IT000101A patent/ITVR20120101A1/en unknown
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