Processo para produção contínua de combustíveis biocombustíveis e produtos químicos a partir de matéria orgnica pastosa por craqueamento térmico/pirólise por reator de leito circulante de esferas

  • Número do pedido da patente:
  • PI 0805666-8 A2
  • Data do depósito:
  • 16/12/2008
  • Data da publicação:
  • 18/12/2012
Inventores:
  • Classificação:
  • C10G 3/00
    Produ??o de misturas l?quidas de hidrocarboneto a partir de mat?ria org?nica contendo oxig?nio, p. ex. ?leos graxos, ?cidos graxos;
    ;
    C10L 1/02
    Combust?veis carbon?ceos l?quidos; / baseados essencialmente em componentes consistindo somente em carbono, hidrog?nio, e oxig?nio;
    ;
    C10L 1/04
    Combust?veis carbon?ceos l?quidos; / baseados essencialmente em misturas de hidrocarboneto;
    ;

PROCESSO PARA PRODUÇÃO CONTÍNUA DE COMBUSTÍVEIS BIOCOMBUSTÍVEIS E PRODUTOS QUÍMICOS A PARTIR DE MATÉRIA ORGNICA PASTOSA POR CRAQUEAMENTO TÉRMI- COIPIRÓLISE POR REATOR DE LEITO CIRCULANTE DE ESFERAS. Refere-se a presente solicitação de invenção, a um novo processo que consiste em utilizar resíduos pastosos para a produção de óleos combustíveis, biocombustiveis e produtos químicos que quando refinados pos- suem caracteristicas similares aos derivados de petróleo. Sendo compreendido pelo craqueamento térmico da matéria orgânica residual na forma pastosa, realizado em um equipamento com seções de processo: iniciado pela seção de alimentação de matéria-prima (2) seguindo para a seção do reator de leito circulan- tes de esferas (3) onde ocorrem às reações de craqueamento térmico ou pirólise do resíduo, pelo contato direto do resíduo com as esferas oriundas da câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4), que chegam ao reator com temperatura da ordem de 700C, com câmara de combustão (6), responsável pela geração do gás quente a alta temperatura que é utilizada como fonte de calor para a câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4).

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Documento

PI0805666-8

“PROCESSO PARA PRODUÇÃO CONTÍNUA DE COMBUSTÍVEIS BIOCOMBUSTÍVEIS E PRODUTOS QUÍMICOS A PARTIR DE MATÉRIA ORGÂNICA PASTOSA POR CRAQUEAMENTO TÉRMI-CO/PIRÓLISE POR REATOR DE LEITO CIRCULANTE DE ESFERAS”.

5,    Pleiteia a presente solicitação de invenção, a um novo pro

cesso para produção contínua de combustíveis, biocombustíveis e produtos químicos a partir de matéria orgânica pastosa residual por processo de craque-. amento térmico ou pirólise. Em síntese, o processo consiste em utilizar resíduos pastosos para a produção de óleos combustíveis, biocombustíveis e produtos 10 químicos que quando refinados possuem características similares aos derivados de petróleo. Tal sistema pode ser aplicado à produção em baixa, média e larga escala e instalado próximo às fontes geradoras dos resíduos, e sem necessidade de fornecimento especial ou extra de energia. O equipamento é constituído por um reservatório de resíduo, um sistema de transporte e pré-aquecimento do 15 material para o reator, um reator de leito circulante de esferas, sistema para re-' circulação de esferas, câmara de fluxo cruzado para aquecimento das esferas responsáveis pelo fornecimento da energia necessária para a reação, e de uma unidade de refino composta por condensadores recheados em série para produção de óleo pesado, diesel, gasolina e gás não-condensável. O gás não con-20 densável e o coque produzido pela reação e aderido às esferas carregadores de calor são utilizados como fonte de energia para o processo de volatilização e re-■ ação. O aparato pode ser usado para processar qualquer matéria orgânica na forma pastosa e não necessita adição de reagentes. A unidade em questão é equipada com um sistema de controle composto por controladores lógicos pro-25 gramáveis e software de aquisição de dados que permitem a operacionalização contínua, automatizada e segura.

Atualmente no atual estado da técnica podemos citar pelas anterioridades pesquisadas, no mapeamento tecnológico do biodiesel e tecnolo-

gias correlatas sob o enfoque dos pedidos de patentes, no Volume III - Pedidos de Patente em Biodiesel Depositados nos Estados Unidos, China e União Européia do INPI, alguns documentos que citam processamento térmico de matéria orgânica para produção de combustíveis. Entre elas, a US2007144060-A1 -5. Producing biodiesel from triglyceride feedstock involves treating the feedstock by thermal cracking/rapid pyrolysis and converting to middle distillate fraction rich in free fatty acids; esterifying the fraction with alcohol IKURAM (IKUR-Individual). O documento US 2007/144060 descreve a produção de biodiesel de fonte de trigli-cerídeos envolvendo o tratamento por craqueamento térmico e/ou pirólise rápida 10 em batelada, conversão para fração rica em ácidos graxos e esterificação da fração com álcool. A presente invenção difere desse documento por utilizar um processo contínuo, sem ser batelada, utilizar lodo de estamparia como matéria prima e produzir diretamente combustíveis, sem necessidade de reação posterior.

15    Já o documento US2007170091-A1 -Diesel fuel production

of high cetane value e.g. biomass-derived diesel fuel from triglyceride feedstock by pretreating feedstock by thermal cracking/rapid pyrolysis to form middle distillate fraction and catalytically hydro treating it. O documento US2007/170091 descreve a produção de diesel compreendendo altos valores de cetano como, 20 por exemplo, combustível diesel derivado de triglicerídeos através do prétrata-mento com craqueamento térmico em batelada com temperaturas inferiores a 500°C e com altos tempos de residência (40 minutos) e passam por uma unidade de hidrotratamento catalítico. A presente invenção difere desse documento pela operação de craqueamento ser contínua e ocorrer com tempos de residên-25 cia na faixa de 20 a 60 segundos.

Quanto a PI0204067 0-"REATOR CONTÍNUO PARA PIRÓLISE ULTRA-RÁPIDA DE BIOMASSA". A invenção refere-se a um equipamento de pirólise ultra-rápida de biomassa, caracterizado por um reator contínuo que

se difere dos demais equipamentos existentes pelas suas características operacionais e de projeto, voltadas para um baixo custo operacional e para a maximi-zação do rendimento da fração líquida ("bio-oil"), importante fonte de insumos químicos. Consiste num reator com montagem vertical o que permite estabelecer 5 um fluxo descendente do material, dispensando tanto o emprego de mecanismos ou partes móveis internos ao reator, quanto à utilização de gases para arraste ou fluidização de leito. O aquecimento é executado por radiação, através de elementos resistentes de alta temperatura. Durante o percurso de queda, a biomassa é aquecida, em condições de pressão reduzida (10kPa), até a tempe-10 ratura de conversão termoquímica. Como o "Reator Contínuo para Pirólise Ultra-Rápida de Biomassa" utiliza elevada taxa de aquecimento (200 a 1.000<198>C/s), é necessária a imediata remoção dos voláteis, assim que forem gerados. Deste modo, a utilização de múltiplas saídas, dispostas ao longo do reator, possibilita a remoção destes voláteis logo após a sua geração (tempo de 15 permanência de aproximadamente 0,5s), bem como um adequado controle do tempo de residência dos mesmos na zona de reação.

Outras patentes descrevem a recuperação de óleo de qualidade utilizando a reação de craqueamento de óleo de xisto com hidrogênio a alta pressão e alta temperatura, utilizando um processo de industrialização do xis-20 to betuminoso que é um mineral fóssil. Que também se difere na presente solicitação, pois o craqueamento ocorre no reator de leito de esferas circulantes, a pressão atmosférica e utiliza resíduos pastosos.

Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando e/ou sugerindo a presente invenção, que 25 contorna diversas dificuldades da técnica anterior e/ou proporciona vantagens técnicas em relação às mesmas.

Buscando desenvolver um novo modelo de utilidade, que a-tenda as necessidades, mais especificadamente do ramo têxtil, que nos ensaios

experimentais para determinação da umidade e teor de orgânicos, apresentam um valor médio de 70% e 57%, respectivamente.

Com base nestes conhecimentos os autores buscam suprir a demanda por máquinas e equipamentos que funcionem na prática para a produ-5. ção contínua de combustíveis, biocombustíveis e produtos químicos a partir de matéria orgânica pastosa por craqueamento térmico.

Na atualidade a produção de combustíveis e biocombustíveis se dão a partir de matéria orgânica na fase líquida. O autor desenvolveu uma tecnologia que permite produzir, de modo contínuo, combustíveis ou bio-10 combustíveis a partir de matéria orgânica na forma pastosa. Com rendimento de 70% em produtos líquidos. Os gases não condensáveis (C1 a C4, CO e H2) gerados no processo e com alto poder calorífico são suficientes para gerar a energia necessária para o aquecimento das esferas responsáveis pelo fornecimento de energia ao meio reacional.

15    A tecnologia difere-se das demais existentes na atualidade,

pois é um processo contínuo, totalmente controlado e com sistema de aquisição de dados, além de possibilitar a purificação por condensação fracionada dos produtos do craqueamento térmico, apresentando alta flexibilidade operacional.

Em síntese, o processo consiste no craqueamento térmico 20 da matéria orgânica residual na forma pastosa, mediante uso de um equipamento especialmente projetado que possibilita o pré-aquecimento e volatilização, seguida da elevação da temperatura no reator, até a ativação das reações de craqueamento térmico. A corrente de gases e vapores que deixam o topo do reator segue para a seção de troca-térmica onde é resfriada e concentrada de acordo 25 com a temperatura de condensação. O gás não-condensável é utilizado como fonte energética do queimador responsável pela geração de gás de combustão necessário ao aquecimento das esferas permitindo assim a operação autotérmi-ca do processo.

A presente solicitação tem como princípio inovador, utilizar um processo contínuo de craqueamento térmico de resíduos pastosos, com o conceito de “heat carrier” ou transportador de calor, de forma automatizada e controlada, e com o reaproveitamento do gás não-condensável, em três fases de 5. execução realizadas: na câmara de aquecimento de fluxo cruzado para as esferas: seção reacional de pirólise; e a seção de condensação.

Na primeira fase para os cálculos de funcionamento da câmara de aquecimento de fluxo cruzado foram realizadas simulações numéricas com uma modelagem matemática baseada na equação de conservação da e-10 nergia aplicada a um elemento diferencial de volume. Utilizando-se de simplificações, como: regime permanente; sistema adiabático; modelo bidimensional; propriedades físicas constantes; sistema bifásico, o modelo obtido está expresso pelas equações (1), para o gás de combustão e (2), para as esferas:

hGP6ACT(l-g)(T.c-T„f)

dp


(1)


dz


dz2


hCT6Asr(l-e)(Ttt-T.,f)

dp


(2)


Onde:


k = conchmvidade térmica (-

Wc


W


ÁST = Área de seção transversal (m~);


£ = Porosidadej


Tec = Temperatura dlo gás de combustão (°C);


Tesf = Temperatura das esferas (°C); dp = diâmetro das esferas (m);


GP    í W \

h = coefici ente de transferência die calor por convecção e radiação J.


O método numérico escolhido foi o das diferenças finitas que consiste em aproximar os termos diferenciais das equações por série de Taylor. Assim, as equações, antes diferenciais parciais, tornam-se equações algébricas deixando sua solução mais simples, e para a solução do modelo algébrico utili-5 zou-se o método de Broyden.

Para a segunda fase na câmara reacional de pirólise, utilizou-se a modelagem matemática similar com a equação de conservação da e-nergia aplicada a um elemento diferencial de volume, utilizando também algumas simplificações, como: regime permanente; sistema adiabático; modelo uni-10 dimensional; propriedades físicas constantes; sistema bifásico. Desta forma o modelo é expresso pelas equações abaixo indicadas como (3) e (4).

alizada de maneira a realizar um pré-fracionamento dos produtos pela temperatura de condensação.

15    A figura em anexo mostra claramente o funcionamento, e o

sentido do fluxo do processo para produção contínua de combustíveis, biocom-bustíveis e produtos químicos a partir de matéria orgânica pastosa residual por craqueamento térmico com reator de leito circulante de esferas de aço, que em conjunto com as referências numéricas, detalhadas a seguir, faz-se entender 20 mais facilmente.

Figura 1 - Vista geral do fluxograma do processo para produção contínua de combustíveis, biocombustíveis e produtos químicos, a partir de matéria orgânica pastosa residual por craqueamento térmico com reator de leito circulante de esferas de aço.

5    O processo é caracterizado pelo craqueamento térmico da

matéria orgânica residual na forma pastosa, mediante uso de um sistema especialmente projetado para ser realizado em um equipamento com as seguintes seções de processo: iniciado pela seção de alimentação de matéria-prima (2) responsável pelo transporte do material para o reator, composta de reservatório, 10 bomba de deslocamento positivo, trocador de calor para pré-aquecimento dos resíduos, inversor de freqüência e instrumentação; seguindo para a segunda seção do reator de leito circulantes de esferas (3) onde ocorrem às reações de craqueamento térmico ou pirólise do resíduo, pelo contato direto do resíduo com as esferas oriundas da câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4), que che-15 gam ao reator com temperatura da ordem de 700°C, as esferas juntamente com o material inorgânico saem na base do reator, por meio de uma tela são separadas; por meio de mecanismo transportador (8) as esferas retornam para a câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4). A matéria orgânica volatilizada é retirada pelo topo do reator e segue a seção de condensação (5). Nesta seção, por 20 meio de condensadores recheados em série os condensáveis são fracionados e armazenados em reservatórios (7). Os gases não-condensáveis seguem para a câmara de combustão (6), responsável pela geração do gás quente a alta temperatura que é utilizada como fonte de calor para a câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4), onde os gases remanescentes seguem para o trocador de ca-25 lor existente na seção de alimentação de matéria-prima (2), e em seguida são emitidos para a atmosfera.

REIVINDICAÇÃO

1)    “PROCESSO PARA PRODUÇÃO CONTÍNUA DE COMBUSTÍVEIS BIOCOMBUSTÍVEIS E PRODUTOS QUÍMICOS A PARTIR DE MATÉRIA ORGÂNICA PASTOSA POR CRAQUEAMENTO TÉRMICO/PIRÓLISE

5 POR REATOR DE LEITO CIRCULANTE DE ESFERAS”, caracterizado pelo cra-queamento térmico da matéria orgânica residual na forma pastosa, realizado em um equipamento com seções de processo: iniciado pela seção de alimentação de matéria-prima (2) responsável pelo transporte do material para o reator, composta de reservatório, bomba de deslocamento positivo, trocador de calor para 10 pré-aquecimento dos resíduos, inversor de freqüência e instrumentação; seguindo para a segunda seção do reator de leito circulantes de esferas (3) onde ocorrem às reações de craqueamento térmico ou pirólise do resíduo, pelo contato direto do resíduo com as esferas oriundas da câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4), que chegam ao reator com temperatura da ordem de 700°C, as es-15 feras juntamente com o material inorgânico saem na base do reator, por meio de uma tela são separadas; por meio de mecanismo transportador (8) as esferas retornam para a câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4); a matéria orgânica volatilizada é retirada pelo topo do reator e segue a seção de condensação (5), por meio de condensadores recheados em série, os condensáveis são fra-20 cionados e armazenados em reservatórios (7); os gases não-condensáveis seguem para a câmara de combustão (6), responsável pela geração do gás quente a alta temperatura que é utilizada como fonte de calor para a câmara de aquecimento de fluxo cruzado (4), onde os gases remanescentes seguem para o trocador de calor existente na seção de alimentação de matéria-prima (2), e em 25 seguida são emitidos para a atmosfera.

2)    “PROCESSO PARA PRODUÇÃO CONTÍNUA DE COMBUSTÍVEIS BIOCOMBUSTÍVEIS E PRODUTOS QUÍMICOS A PARTIR DE MATÉRIA ORGÂNICA PASTOSA POR CRAQUEAMENTO TÉRMICO/PIRÓLISE

POR REATOR DE LEITO CIRCULANTE DE ESFERAS”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela seção do reator de leito circulantes de esferas (3) ocorrer às reações de craqueamento térmico ou pirólise do resíduo, pelo contato direto do resíduo com as esferas oriundas da câmara de aquecimento de 5 fluxo cruzado (4).

3) “PROCESSO PARA PRODUÇÃO CONTÍNUA DE COMBUSTÍVEIS BIOCOMBUSTÍVEIS E PRODUTOS QUÍMICOS A PARTIR DE MATÉRIA ORGÂNICA PASTOSA POR CRAQUEAMENTO TÉRMICO/PIRÓLISE POR REATOR DE LEITO CIRCULANTE DE ESFERAS”, de acordo com a rei-10 vindicação 1 e 2, caracterizado por as esferas juntamente com o material inorgânico que saem na base do reator, serem separadas por meio de uma tela.

Figura 1

RESUMO

“PROCESSO PARA PRODUÇÃO CONTÍNUA DE COMBUSTÍVEIS BIOCOMBUSTÍVEIS E PRODUTOS QUÍMICOS A PARTIR DE MATÉRIA ORGÂNICA PASTOSA POR CRAQUEAMENTO TÉRMI-5. CO/PIRÓLISE POR REATOR DE LEITO CIRCULANTE DE ESFERAS”.