BR112012031619B1

BR112012031619B1 - processo de operação de um sistema de reator de leito fluidizado

Info

Publication number: BR112012031619B1
Application number: BR112012031619-2A
Authority: BR
Inventors: Tobias Pröll; Johannes Schmid; Christoph Pfeifer; Hermann Hofbauer
Original assignee: Technische Universität Wien
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2019-01-22
Also published as: BR112012031619A2; US20130143167A1; EP2579975A1; AU2011264446B2; EP2579975B1; AT509586B1; AT509586B8; AU2011264446A1; BR112012031619B8; US9089826B2; CA2815555C; WO2011153568A1; CA2815555A1; AT509586A4

Abstract

sistema de reator de leito fluidizado. a invençao refer-se a sitema de reator de leito fluidizado que consiste em pelo menos dois reatores de leito fluidizado e que compreende um preimeiro e um segundo reator (1, 2), sendo cada um leito fluidificado circulante, a partícula de linha (7), que compreende um separador de partículas (3) para a tranferência de leito fluidizado de partículas a partir do primeiro para o segundo reator, e uma linha de patículas (17) que sai na parte inferior do segundo reator (2) para a tranferência de leito fluidizado de partículas de volta para o primeiro reator (1), caracterizado pelo fato de que, pelo menos no segundo reator (2) , as zonas de reação (9, 10 , 22) , separados por um ou mais controladores de fluxo (18, 21) são proporcionados e que a linha de partícula (7) abre-se para o segundo reator (2) acima, pelo menos, um controlador de fluxo (18).

Description

[001] A presente invenção diz respeito a um sistema de reator de leito fluidizado aperfeiçoado consistindo de pelo menos dois reatores de leito fluidizado fornecidos na forma de leitos fluidizados circulantes.

ESTADO DA TÉCNICA [002] Tanto em procedimentos fisicos quanto em reações químicas, envolvendo uma troca de material entre duas fases, grandes superfícies de contato e mistura completa das fases são tão decisivas quanto longos tempos de permanência em zonas de contato ou de reação correspondentes a fim de obter renovação e rendimentos altos. Isto se aplica igualmente a todas as transferências de fase, independente de se a troca de material é para acontecer entre fases sólidas, líquidas ou gasosas.

[003] Uma possibilidade para estender tempos de contato e aumentar superfícies de contato ou o número de contatos com partículas distintas no caso de contatos sólido-líquido e sólido-gás consiste em conduzir as duas fases para ficar em contato em fluxo contracorrente, tal como é, por exemplo, descrito para colunas de pulverização, (algumas vezes com múltiplos estágios) reatores de leito fluidizado, contatores contracorrente e colunas empacotadas por A.W.M. Roes e W.P.M. Van Swaaij, Chem. Eng. J. 17, 81-89 (1979) . Na DE 10 2007 005 799 Al (publicada em 24 de abril de 2008), o princípio de contracorrente é descrito como um exemplo específico de reações de combustão. Ali, coque de pirólise é usado como um combustível e convertido em um gás produto que é rico em hidrogênio e tem um alto valor

Petição 870180139065, de 08/10/2018, pág. 14/79 calorífico, em que material a granel servindo como meio de transferência de calor é circulado por meio de um transportador de material a granel e é conduzido em fluxo contracorrente para o fluxo de gás contendo o gás produto.

[004] Uma outra possibilidade para aumentar a superfície, a qual é também sugerida por Roes e Van Swaaij (citados acima), fornece elementos internos, os quais são bem conhecidos no campo de colunas empacotadas ou colunas de discos giratórios.

[005] Um aumento dos tempos de permanência em contatores ou reatores, por exemplo, também pode ser alcançado ao fornecer controladores ou restritores de fluxo para criar zonas de taxas de fluxos diferentes das fases a ser colocadas em contato umas com as outras. Um exemplo de um reator de leito fluidizado como este é descrito em Kersten e outros, Chem. Eng. Sei. 58, 725-731 (2003) . Ali, um reator de leito fluidizado circulante para gaseificação de biomassa é descrito, o qual é dividido em zonas de diferentes densidades tanto do sólido circulante e o carregador quanto de gases de combustão por meio de uma sequência regular de expansões cônicas no elevador, em que partículas sólidas e gases são conduzidos no elevador em fluxo de cocorrente. Um exemplo similar para melhorar o perfil de fluxo em um reator de leito fluidizado é descrito por J. Bu und J.-X. Zhu, Canadian J. Chem. Eng. 77, 26-34 (fevereiro de 1999), onde elementos internos anulares são fornecidos no elevador de um reator de leito fluidizado circulante, tendo um efeito similar ao das expansões cônicas de Kersten e outros (mencionados anteriormente).

[006] Para sistemas de reatores de leito fluidizado em

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3/29 que dois ou mais reatores fluidizados se comunicam uns com os outros, as medidas indicadas acima para melhorar contato ou troca de material entre duas fases, especificamente entre um sólido e uma fase líquida ou gasosa, são desconhecidas até agora.

Isto é, certamente, parcialmente por causa do fato de que, no passado, descarga de partículas de um segundo reator tinha que ser prontamente fornecida para dentro de um primeiro reator contanto que existissem dois reatores de leito fluidizado rápido, isto é, de transporte de partículas, a fim de fechar o ciclo de fluxo de sólidos.

Ver, por exemplo, a EP 1.637.574 Al.

As figuras 1 e 2 na mesma mostram um sistema de reator de leito fluidizado consistindo de dois reatores se comunicando que podem ser ambos reatores de leito fluidizado rápido.

Uma vez que sólidos descarregados de um reator têm que ser carregados atravessados no outro reator, os fluxos gás e de sólido dos dois reatores têm que fluir no sentido de cocorrente.

A figura 3 de EP

1.637.574

Al também mostra um sistema consistindo de dois reatores se comunicando onde um gás e um sólido são colocados em contato no segundo reator em fluxo contracorrente.

Entretanto, o segundo reator é um reator de leito fluidizado borbulhante sem descarga sólida na cabeça de reator. O sistema de reator de acordo com a figura 3 compreende assim somente um reator de leito fluidizado rápido, em que na recirculação de partícula do qual, precisamente, um reator de leito fluidizado borbulhante é inserido, através do qual a partícula fluxo desce antes de ser reciclada dentro do primeiro reator.

[007]

Em contraste a isto, os inventores da presente

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4/29 matéria em questão apresentaram um sistema de reator de leito fluidizado, nos seus pedidos anteriores AT A 1272/2007 e WO 2009/021258, onde dois reatores de leito fluidizado, isto é, de transporte de partículas, rápido se comunicando um com o outro são conectados por meio de uma linha de partículas nas suas metades inferiores, preferivelmente nos seus terços ou quartos inferiores, de maneira que as partículas sólidas circulando entre os dois reatores não têm que necessariamente passar por dois separadores de partículas nas cabeças de reatores. Em vez disto, ou adicionalmente, as partículas podem ser transferidas diretamente (ou por meio de um terceiro reator interposto opcional) de um reator para o outro a fim de fechar o ciclo de sólidos. Entretanto, um melhoramento do contato entre os sólidos circulantes e a alimentação tratada no sistema de reator também seria desejável no novo sistema dos inventores.

DIVULGAÇÃO DA INVENÇÃO [008] A presente invenção fornece assim um sistema de reator de leito fluidizado consistindo de pelo menos dois reatores de leito fluidizado, compreendendo um primeiro e um segundo reator, cada um sendo um leito fluidizado circulante, uma linha de partículas compreendendo um separador de partículas para transferir partículas de leito fluidizado do primeiro para o segundo reator, e uma linha de partículas saindo na metade inferior do segundo reator para transferir partículas de leito fluidizado de volta para o primeiro reator, caracterizado em que, pelo menos no segundo reator, zonas de reação separadas por um ou mais controladores de fluxo são fornecidas e a linha de

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5/29 partículas para transferir partículas de leito fluidizado do primeiro para o segundo reator abre para dentro do segundo reator acima de pelo menos um controlador de fluxo. [009] Com esta interpretação inventiva de um sistema de reator de leito fluidizado compreendendo dois reatores de leito fluidizado rápido transportando partículas, pela primeira vez é possível combinar as vantagens do princípio de contracorrente com aqueles de perfis de fluxo regulados por meio de controladores de fluxo, o que resulta em melhor mistura, maiores tempos de contato e assim de uma maneira geral melhor contato entre um sólido circulante e fases a ser colocadas em contato com ele, independente de se fases sólidas, líquidas ou gasosas. Além disso, um fluxo de fluido de volume menor é exigido para elevar as partículas de leito fluidizado, isto é, para gerar e manter um leito fluidizado, do que sem controlador de fluxo. Entre outras coisas, tudo isto permite uma operação mais econômica de um sistema de reator de leito fluidizado.

[0010]

Dividir pelo menos um reator do inventivo sistema de reator de leito fluidizado em diversas zonas de reação permite, por exemplo, a condução de diferentes reações físicas ou químicas;

por exemplo, uma sequência predeterminada de reações químicas, nas zonas de reação individuais. Além de gerar um contrafluxo partículas do primeiro reator e o fluxo de entre as fluido no segundo reator, uma seleção apropriada da posição de junção da linha de partículas do primeiro para o segundo reator permite controlar as reações acontecendo nas zonas de reação.

[0011] Neste documento, o termo fluido significa de

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6/29 uma maneira geral líquidos, gases e misturas dos mesmos, em que, para aplicações especiais do inventivo sistema de reator de leito fluidizado tais como CLR (reforma por ciclos químicos), CLC (combustão por ciclos químicos), gaseificação de carvão ou de biomassa e outros mais, os fluidos preferivelmente são gases. De modo oposto, quando não existe referência para aplicações específicas onde o uso de outros fluidos a não ser gases, é tecnicamente impossível, gás neste documento também representa o termo geral fluido.

[0012] Por causa dos fatos em que a linha de partículas do primeiro para o segundo reator abre para dentro do segundo reator acima de um controlador de fluxo mais baixo e que abaixo dessa junção uma contracorrente é gerada entre partículas descendo no segundo reator e o fluxo de fluido ascendente, existe pelo menos uma zona de reação onde a contracorrente exerce seu efeito total. Por exemplo, se dois controladores de fluxo, isto é, três zonas de reação, forem fornecidos e a dita linha de partículas abrir para dentro do segundo reator na zona de reação central, existe adicionalmente uma zona de reação, isto é, a mais alta, em que o fluido e os sólidos estão em fluxo de cocorrente. Por outro lado, se o fluido e os sólidos são para fluir no sentido de contracorrente, a linha de partículas preferivelmente entra acima do controlador de fluxo mais alto.

[0013] Dependendo da intensidade do fluxo de fluido no segundo reator e das características das partículas circulando entre os dois reatores (isto é, peso específico, forma, características de superfície, etc.), as partículas

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7/29 são arrastadas pelo fluxo de fluido por diferentes extensões e são assim distribuídas nas várias zonas de reação por diferentes extensões. Isto resulta em uma probabilidade controlável de presença das partículas nas zonas de reação individuais do segundo reator, de maneira que zonas de reação inferiores usualmente compreendem uma massa de partículas maior que a das zonas mais altas. Se as partículas (também) servirem como transportadores de calor, por exemplo, em aplicações CLR, diferentes quantidades de calor estão disponíveis para reações químicas ou físicas nas várias zonas de reação do segundo reator, no caso de reatores CLR para reformar o combustível no reator de combustível.

[0014] Se partículas tendo diferentes características, por exemplo, partículas de diferentes pesos e/ou formas, estiverem presentes no sistema, uma acumulação de partículas de menor peso ou de maiores superfícies (no exposto a seguir denominadas de forma coletiva simplesmente por partículas de menor peso, para efeito de simplicidade) pode ser alcançada em zonas de reação superiores, enquanto que consequentemente partículas mais pesadas ou partículas com uma menor razão superfície/volume (no exposto a seguir denominadas coletivamente partículas de maior peso) acumulam em zonas de reações inferiores. Assim, partículas de menor peso são mais frequentemente descarregadas na cabeça do segundo reator, enquanto que na linha de partículas para transferir de volta partículas de leito fluidizado para o primeiro reator preferivelmente circula partículas de maior peso. Isto significa que, além do efeito de contracorrente e da geração de várias

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8/29 zonas de reação, também existe uma separação das partículas presentes no sistema. Diferentes partículas podem ser introduzidas especificamente no sistema e também podem ser formadas no mesmo por meio de reações físicas ou químicas, por exemplo, por abrasão ou combustão (por exemplo, cinza volante).

[0015] Os controladores de fluxo não estão particularmente limitados e qualquer constrição ou expansão da seção transversal de reator, desvio do fluxo de partículas ou qualquer combinação dos mesmos pode ser usada. Assim, o escopo de proteção da invenção compreende caminhos em ziguezague do tubo de reator assim como a provisão de vários elementos internos, por exemplo, defletores centrais ou laterais, constrições anulares, etc., os quais podem ser fornecidos em qualquer ângulo em relação à direção de fluxo. O tipo de controlador de fluxo é determinado principalmente pelo propósito pretendido do respectivo sistema de reator de leito fluidizado e pelo material de parede de reator usado. Por exemplo, para CLR, CLC, gaseificação e outras aplicações que exigem altas temperaturas, principalmente refratário e outros materiais resistentes à temperatura, por exemplo, tijolos de chamote, concreto ou grafite, são usados como os materiais de parede.

[0016] A presente invenção também compreende modalidades onde não somente o segundo reator, mas também o primeiro reator e/ou reatores adicionais opcionais são equipados com controladores de fluxo para definir zonas de diferentes densidades de partículas nos mesmos. Em aplicações CLC e CLR, por exemplo, onde um óxido de metal, o qual serve como

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9/29 um transportador de calor e um agente oxidante e circula entre os reatores, é regenerado (isto é, reoxidado) no primeiro reator (o reator de ar), diferentes tempos de permanência podem ser ajustados para a partículas de oxido presentes serem oxidadas em diferentes alturas ou em zonas de diferentes densidades de oxigênio, o que pode, juntamente com uma seleção adequada do fluxo de ar, resultar em reações mais brandas ou mais econômicas.

[0017] Em modalidades preferidas do inventivo sistema de reator de leito fluidizado, o segundo reator tem uma linha de realimentação de partículas com um separador de partículas, a qual abre para dentro do segundo reator abaixo de pelo menos um controlador de fluxo fornecido no segundo reator e/ou abre para dentro do primeiro reator na metade inferior do mesmo. Por um lado, isto exige que as partículas recicladas no segundo reator passem por pelo menos uma zona de reação localizada acima da junção da linha de realimentação de partículas antes de serem opcionalmente descarregadas de novo na cabeça de reator e recicladas novamente. Por outro lado, quando a linha de realimentação de partículas do segundo reator abre para dentro do primeiro reator em uma posição na metade inferior do mesmo, preferivelmente na terceira ou quarta parte inferior do mesmo, o tempo de permanência das partículas no primeiro reator é suficientemente longo para fazer com que elas participem em reações acontecendo neste local. No exemplo indicado anteriormente de um sistema de reator para aplicações CLR, esta reação é, por exemplo, a reoxidação do transportador de calor/agente oxidante circulando entre os reatores. Se a linha de realimentação de partículas do

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10/29 segundo reator tiver um divisor de fluxo, ambas as modalidades podem ser implementadas simultaneamente.

[0018] Se um divisor de fluxo como este estiver presente, parte do sólido coletado no separador de partículas também pode ser reciclada no sistema de reator, e a outra parte pode ser descarregada do sistema, por exemplo, para submeter esta parte sólida a um tratamento de regeneração externo ou porque ela perdeu o tamanho de partícula desejado por causa de abrasão e deve ser substituída por material de partícula adequado.

[0019] Adicionalmente, um ou ambos os separadores de partículas dos primeiro e segundo reatores podem ser separadores de duplo ou de múltiplos estágios. Por exemplo, além de um separador gravitacional que recicla diretamente os sólidos (por exemplo, de maior peso) separados no mesmo para dentro do segundo reator, o separador de partículas do segundo reator também pode compreender um separador centrífugo, por exemplo, um ciclone, que recicla as partículas (por exemplo, de menor peso) separadas no mesmo em uma localização diferente para dentro do segundo reator ou para dentro do primeiro reator ou as descarrega. Alternativamente ou de forma adicional, um separador de partículas de duplo estágio pode ser fornecido para o primeiro reator, em cujos dois estágios partículas de menor peso e de maior peso são coletadas e introduzidas no segundo reator em alturas diferentes a fim de aumentar seus tempos de permanência dentro do segundo reator.

[0020] Pelo mesmo motivo, as duas linhas de realimentação de partículas de um separador de partículas de duplo estágio do segundo reator podem abrir para dentro

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11/29 do segundo reator em alturas diferentes, por exemplo, acima e abaixo de um controlador de fluxo, respectivamente. 0 inventivo sistema de reator de leito fluidizado assim não somente permite direcionar partículas no sentido de contracorrente para o fluxo de fluido, mas ao mesmo tempo capacita partículas de tamanhos diferentes para fluírem no sentido contracorrente, o que pode ser especialmente vantajoso nos casos onde reações químicas no sistema de reator resultam em partículas de tamanhos diferentes, por exemplo, a fim de colocar novamente em contato produtos de reações sólidos com as partículas de leito fluidizado reais ou colocá-los em contato por um período de tempo maior.

[0021] De uma maneira geral, nem o projeto e princípios funcionais de um separador de partículas do inventivo sistema de reator de leito fluidizado ou de seus estágios individuais nem o destino de linhas conduzindo para longe disto estão particularmente limitados contanto que pelo menos uma linha de partículas conduza do primeiro para o segundo reator e abra para dentro do último acima de pelo menos um controlador de fluxo. O material de partículas acumulando em quaisquer outros separadores de partículas ou em linhas conduzindo para longe disto pode ser reciclado no sistema de reator de leito fluidizado em qualquer localização ou ser descarregado disto se ele servir para o respectivo propósito pretendido do sistema de reator.

[0022] De acordo com a presente invenção, todas as linhas de partículas podem ser providas com barreiras para fluido ou gás, isto é, preferivelmente são fluidizadas, a fim de impedir que fluidos, especialmente gases, passem de um reator para o outro por causa de pressões diferentes.

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Linhas de partículas podem ser calhas simples, mas transportadores de correia ou de parafuso também são adequados. Em modalidades preferidas tendo linhas fluidizadas, a barreira para gás mais preferível é um sifão, o qual é especialmente efetivo para impedir passagens indesejadas de gás, mas também de sólidos, de um reator para dentro do outro.

[0023] Particularmente é preferida uma linha de partículas fluidizada para transferir partículas de leito fluidizado de volta do segundo para o primeiro reator, e ainda mais preferivelmente que ela seja provida com um sifão. Tal como mencionado anteriormente, isto não somente impede passagens indesejadas de material entre os reatores, mas também entupimento da linha de partículas, uma vez que em modalidades particularmente preferidas estas linhas de partículas abrem para dentro do primeiro reator em alturas pequenas, o que garante que os inventivos sistemas de reatores trabalham continuamente.

[0024] Em um modo convencional por si mesmo, ambos os reatores podem ser providos com entradas de fluido escalonadas, por exemplo, com diversas entradas de fluido em alturas diferentes do respectivo reator, o que favorece a manutenção do leito fluidizado no reator. Se entradas de fluido escalonadas forem fornecidas no primeiro reator, a entrada de fluido mais baixa pode ser substituída por uma linha de partículas fluidizada para transferir de volta partículas de leito fluidizado do segundo para o primeiro reator.

[0025] Além disso, em modalidades particulares, um ou mais reatores adicionais podem ser fornecidos além dos dois

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13/29 reatores mencionados, cujos reatores adicionais podem ser montados em qualquer posição dentro do inventivo sistema de reator de leito fluidizado. Por exemplo, um terceiro reator pode ser operado em paralelo com o primeiro ou segundo reator de maneira que o terceiro reator se comunique exclusivamente com o segundo ou com o primeiro reator. Alternativamente ou de forma adicional, um terceiro reator pode - em ambas as direções do fluxo de partículas circulantes - ser colocado entre os primeiro e segundo reatores. Isto significa que a fluxo de partículas do primeiro reator pode ser primeiro conduzido para dentro de um terceiro reator antes de passar daí para o segundo reator, ou a realimentação das partículas do segundo para o primeiro reator flui através de um terceiro reator. No último caso, um terceiro reator como este pode ser posicionado na linha de partículas para transferir de volta partículas de leito fluidizado do segundo para o primeiro reator, ou em uma linha de realimentação de partículas conduzindo do separador de partículas do segundo reator para o primeiro reator.

Qualquer combinação destas modalidades, isto é, ao adicionar diversos reatores adicionais, é possível.

[0026] modo de operação do terceiro reator e de quaisquer reatores adicionais não está limitado particularmente. Eles podem ser operados como reatores de leito fluidizado rápido, reatores de leito fluidizado borbulhante ou em qualquer outro modo, contanto que os efeitos vantajosos do inventivo sistema de reator de leito fluidizado não sejam prejudicados.

[0027] No exposto a seguir, a presente invenção é

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14/29 descrita com detalhes adicionais com referência para modalidades especificas mostradas nos desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0028]

A figura 1 mostra uma modalidade do inventivo sistema de reator de leito fluidizado, compreendendo controladores de fluxo somente no segundo reator.

[0029]

A figura mostra uma modalidade do inventivo sistema de reator de leito fluidizado, compreendendo um tipo diferente de controlador de fluxo somente no segundo reator.

[0030]

A figura mostra uma modalidade do inventivo sistema de reator de leito fluidizado, compreendendo controladores de fluxo em ambos os reatores um terceiro reator interposto.

[0031]

A figura 4 mostra uma modalidade similar do inventivo sistema de reator de leito fluidizado tal como na figura 3, mas compreendendo separadores de partículas de duplo estágio.

[0032]

A figura 5 mostra uma modalidade similar do inventivo sistema de reator de leito fluidizado tal como na figura 4, mas compreendendo linhas de realimentação de partículas cruzadas.

[0033]

A figura 6 mostra uma vista detalhada de um reator dividido em zonas de reação por controladores de fluxo em um inventivo sistema de reator de leito fluidizado.

[0034]

A figura 7 é uma fotografia de uma zona de reação de um inventivo sistema de reator de leito fluidizado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [0035]

De uma maneira geral, a invenção diz respeito a

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15/29 um sistema de reator de leito fluidizado consistindo de pelo menos dois reatores de leito fluidizado, cada um sendo um leito fluidizado circulante, em que pelo menos um dos reatores é dividido em zonas de reação separadas por meio de um ou mais controladores de fluxo. Em pelo menos algumas das zonas de reação, fluxos de materiais a ser reagidos uns com os outros são direcionados adicionalmente no sentido de contracorrente uns com os outros, isto é, um fluxo de sólidos é conduzido no sentido de contracorrente para um fluxo de gás de reação, e/ou dois fluxos de sólidos, por exemplo, um sólido servindo como reagente e um outro sólido servindo como catalisador, são conduzidos no sentido de contracorrente um com o outro.

[0036] Este tipo de gerenciamento de fluxos é, tal como mencionado anteriormente, baseado na invenção anterior dos inventores da presente matéria em questão e descrita em AT A 1272/2007 e WO 2009/021258. Sem a linha de partículas revelada na mesma para conectar os dois reatores e a realimentação (direta) do fluxo de partículas do segundo reator para o primeiro reator, uma implementação do princípio de contracorrente seria tecnicamente impossível. Zonas de reação podem ter sido consideradas, mas seus efeitos são fortemente aumentados por fluxos de materiais contracorrente nas mesmas, de maneira que todos os três elementos da presente invenção têm conjuntamente um efeito sinérgico.

[0037] A seguir, diversas modalidades preferidas do sistema de reator de leito fluidizado da invenção são descritas com mais detalhes com referência aos seus modos de operação e com referência aos desenhos, em que um CLC,

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16/29 isto é, sistema de combustão por ciclos químicos, é usado para propósitos ilustrativos. Entretanto, é para ser entendido que o inventivo sistema de reator de leito fluidizado também é adequado para quaisquer outras reações físicas ou químicas.

[0038] CLC é um processo de conversão de energia teoricamente sem perda de eficiência, em que um combustível, por exemplo, carvão ou gás natural, é queimado, usualmente com a exclusão de ar, em um reator de combustível ou de combustão pelo uso de um carregador de oxigênio servindo tanto como um agente oxidante quanto como um catalisador, enquanto que o carregador de oxigênio é regenerado em um segundo reator, isto é, o reator de ar. O carregador de oxigênio/catalisador usualmente é um óxido de metal que é reduzido no reator de combustível e reoxidado no reator de ar. Durante combustão, principalmente CO2 e H2O são formados, dos quais CO2 pode ser obtido após condensação da água.

[0039] A figura 1 mostra uma modalidade preferida com os dois reatores fluidizados rápidos, isto é, de transporte de partículas, 1 e 2. Sólidos descarregados do primeiro reator 1 são coletados em um separador de partículas 3, enquanto que gás é descarregado por meio da saída 5. Para o exemplo de CLC, o primeiro reator 1 é o reator de ar, de maneira que principalmente N2 e O2 são descarregados em 5, enquanto que o carregador de oxigênio, isto é, por exemplo, um óxido de metal, é separado em 3 e introduzido no segundo reator 2 por meio de uma linha de partículas 7. O separador de partículas 3 não está limitado particularmente e, por exemplo, pode ser um gravitacional ou um separador

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17/29 centrifugo, preferivelmente um ciclone. A linha de partículas 7 também não está limitada particularmente e, por exemplo, pode ser um transportador de parafuso, uma calha simples ou coisa parecida. Tal como mostrado por meio das setas pretas na figura 1, preferivelmente ela é fluidizada com um gás inerte, de maneira que para a barreira para gás entre os reatores um sifão pode ser usado preferivelmente, embora qualquer outra barreira para gás fornecendo uma diferença pressão suficiente entre as fases gasosas a ser separadas também seja adequada, por exemplo, calhas fluidizadas ou coisa parecida.

[0040]

Ao selecionar a posição na qual linha de partículas proveniente do primeiro reator abre para dentro do segundo reator 2, podemos controlar por qual extensão as partículas são levadas no sentido contracorrente para os fluxos de materiais no segundo reator, isto é, fluxos de gás ou fluido ou de sólidos.

Fluxos de materiais (produto) estão marcados com setas brancas em todos os desenhos.

A figura mostra uma modalidade preferida onde a linha 7 entra em uma posição muito alta, acima do controlador de fluxo mais alto, isto é, na zona de reação 10 mais alta, o que será explicado com mais detalhes mais tarde. Daí, as partículas descem dentro do leito fluidizado do segundo reator 2, de maneira que um fluxo destas partículas no sentido de contracorrente para o fluxo de gás, e algumas vezes também para o fluxo de sólidos, neste reator é garantido para a maior parte de sua altura.

[0041] O reator de leito fluidizado 2, no exemplo de CLC o reator de combustível, também é fluidizado rápido e

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18/29 compreende uma saída de gás 6, um separador de partículas 4 e uma linha de partículas ou linha de realimentação 8, a qual também está mostrada fluidizada no presente exemplo e assim preferivelmente é um sifão, embora o separador de partículas 4 e a linha de partículas 8 de novo não estejam limitados particularmente. No exemplo da figura 1, a linha de partículas 8 abre para dentro do segundo reator 2 e assim recicla sólidos descarregados da mesma. A posição marcada na figura 1, na qual a linha de realimentação 8 abre para dentro do reator 2, está em uma altura relativamente baixa, o que tem o efeito em que a maior parte dos sólidos assim reciclados sobe de novo no leito fluidizado do reator (por exemplo, partículas de cinza que ainda contêm uma parte de material combustível) e é assim conduzida no sentido de contracorrente para as partículas introduzidas pelo primeiro reator 1. As últimas partículas passam pelo reator 2 no sentido contracorrente para o fluxo de gás assim como para um fluxo de sólidos no mesmo. Uma parte menor, por exemplo, desce e, por causa da introdução em uma altura relativamente baixa, abre para dentro.

[0042] Embora ambos os reatores transportem partículas, ao contrário do reator 1, o qual é totalmente de transporte de partículas, o reator 2 é concretizado em um modo de transportar somente parcialmente. Isto significa que todos os sólidos presentes no leito fluidizado do reator 1 são descarregados e introduzidos no segundo reator 2, enquanto que o reator 2 descarrega somente uma pequena parte das partículas sólidas presentes no mesmo na cabeça de reator. Na prática, por exemplo, em aplicações CLC, esta é uma parte mais ou menos pequena, por um lado porque, se

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19/29 possível, a massa de carregador de oxigênio total deve ocorrer em ciclos entre os dois reatores, e por outro lado por causa de o combustível sólido no reator 2 ter que ser queimado tão completamente quanto possível. Neste exemplo, a descarga do reator 2 assim consiste principalmente de componentes relativamente finos, por exemplo, abrasão do carregador de oxigênio ou cinza volante.

Entretanto, em aplicações práticas, sempre existe uma certa parte de partículas granuladas mais grosseiras de maior peso na descarga do reator 2 porque todas as partículas têm uma probabilidade definida (mesmo que algumas vezes um tanto baixa) de presença em qualquer localização dentro do sistema de reator.

[0043] Ambos os reatores 1, 2 têm as entradas de duas partes 11-14, isto é, o gás ou fluido de fluidização é introduzido no respectivo reator em alturas diferentes, o que favorece a manutenção dos leitos fluidizados e torna mais fácil introduzir fluidos/gases diferentes no respectivo reator. No caso de CLC, por exemplo, ar puro pode ser introduzido no reator 1 em 11, enquanto que em 13 uma mistura de nitrogênio e oxigênio reciclada da saída 5 pode ser introduzida. Por causa da presença de uma linha de alimentação 15, ar puro também pode ser introduzido em 11 e 13, enquanto que em 15 o fluxo de gás reciclado é reintroduzido, ou oxigênio puro ou um combustível adicional para aquecer as partículas no reator 1 pode ser introduzido em 15 (ou em 11 e/ou 13). Entretanto, o respectivo propósito de uma linha de alimentação de fluido não está limitado particularmente de acordo com a presente invenção. [0044] Uma linha de partículas 17 conecta os dois

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20/29 reatores, preferivelmente nas extremidades mais baixas, e recicla o fluxo de sólidos, no exemplo de CLC o óxido de metal, para dentro do primeiro reator. A linha 17 é similar às linhas de partículas 7 e 8, isto é, preferivelmente ela é fluidizada e fornecida na forma de um sifão. Pelo fato de o ponto de saída da linha de partículas 17 do segundo reator ser posicionado entre as entradas 12 e 14 ele tem o efeito em que a parte do gás (por exemplo, metano) introduzido em 12 pode contactar o fluxo de partículas antes de o último deixar o reator 2. O ponto de entrada da linha de partículas 17 entre as entradas 11 e 13 do reator 1 tem o efeito em que o fluxo de partículas é distribuído de forma mais de homogênea no reator. Uma vez que a linha de partículas 17 é fluidizada, sua junção também pode substituir a entrada de fluido mais baixa 11. De uma maneira geral, a relação entre os fluxos de partículas e os tempos de permanência das partículas nas seções individuais de reator pode ser bem controlada pela seleção de forma apropriada dos fluxos de gás.

[0045] O reator 2 da figura 1 é dividido, de acordo com a invenção, em sete zonas de reação 10 por um total de seis controladores de fluxo 18, em cujas zonas de reação os sólidos contidos no sistema têm diferentes probabilidades de presença e tempos de permanência, o que de novo é controlável por meio dos fluxos de gás, mas também por meio do tipo e projeto dos controladores de fluxo. Por meio da intensidade controlável do fluxo de fluido ou de gás através do segundo reator, os tempos de contato entre os parceiros de reação nas zonas de reação individuais também são controláveis.

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21/29 [0046] A presença das partículas de leito fluidizado, sua direção de fluxo global e fluidização nos reatores e as zonas de reação dos mesmos estão indicadas por linhas tracejadas na figura 1 e nos outros desenhos anexados. Isto pode ser visto especialmente na figura 6 que mostra uma vista detalhada de um segundo reator 2 dividido em zonas de reação por meio de controladores de fluxo em um inventivo sistema de reator de leito fluidizado, mas que não mostra a realimentação de partículas para o segundo reator. O tipo do controlador de fluxo 18, tal como mencionado anteriormente, não está limitado particularmente. A figura 1 e a figura 6 mostram modalidades com constrições ou estreitamentos (por exemplo, anulares) da seção transversal de reator.

[0047] Na modalidade preferida da figura 1, as linhas da alimentação para o reator 2 estão mostradas em 16 e 19, cujo propósito das quais não está limitado particularmente; no exemplo de CLC, entretanto, elas são linhas de fornecimento de combustível. Por exemplo, em 16 um combustível gasoso tal como metano pode ser introduzido, enquanto que em 19 uma alimentação consistindo pelo menos parcialmente de sólidos, por exemplo, carvão, pode ser introduzida.

[0048] Visto como um todo, o inventivo sistema de reator de leito fluidizado mostrado na figura 1 para um exemplo de CLC permite (re)oxidar e aquecer um carregador de oxigênio no reator de ar 1, o qual é então fornecido por meio da linha de partículas 7 para a zona de reação 10 mais alta do reator de combustível 2, onde ele desce continuamente dentro do leito fluidizado e permite a oxidação, isto é,

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22/29 combustão, de um ou mais combustíveis nas zonas de reação individuais, cujos combustíveis podem ser introduzidos em 16 e/ou 19. Então, o carregador de oxigênio é fornecido de novo para o reator de ar 1 e regenerado. No reator de combustível 2, resíduos de combustão sólidos, mas dispersados de forma relativamente fina, por exemplo, cinza volante na combustão de carvão, podem ser coletados no separador de partículas 4 e reciclados via linha de partículas 8 no sistema, onde eles são de novo colocados em contato com o carregador de oxigênio, o que garante combustão completa do combustível. Ao mesmo tempo, um outro combustível, por exemplo, gasoso tal como metano pode ser introduzido, de maneira que diferentes quantidades de diferentes parceiros de reação estão presentes nas zonas de reação individuais 10 que podem ter diferentes temperaturas e assim permitem diferentes reações líquidas. Por exemplo, estas reações criam quantidades variáveis de calor e de produtos de reações sólidos de tamanhos variáveis, dependendo da posição da respectiva zona de reação. Deste modo, no total, abrangência completa das reações de combustão e aumentos dos rendimentos e eficiência do processo são obtidos.

[0049] A figura 2 mostra uma modalidade preferida alternativa da invenção, onde os controladores de fluxo 18 são fornecidos na forma de caminhos ou calhas em ziguezague com elementos internos adicionais sendo mostrados como cantoneiras. O modo de operação deste sistema é igual ao descrito em conexão com a figura 1.

[0050] A figura 3 mostra, no reator 2, uma combinação dos projetos dos controladores de fluxo 18 da figura 1 e

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23/29 esses da figura 2, isto é, constrições da seção transversal de reator assim como desvios, o que pode resultar em tempos de permanência ainda maiores das partículas, por exemplo, partículas de carregador de oxigênio de óxido de metal, nas zonas de reação individuais. Esta modalidade também compreende mudanças seccionais transversais contínuas dentro das zonas de reação de reator 2. Adicionalmente, nesta modalidade, o reator 1 também compreende os controladores de fluxo 21 que o dividem em diversas zonas de reação 9. Quando usado para CLC, por exemplo, isto pode permitir uma regeneração de forma gradual e assim potencialmente mais suave do carregador de oxigênio no reator de ar 1, especialmente quando combustível para aquecer o carregador de oxigênio é fornecido para o reator de ar via linha de alimentação 15.

[0051] Além disso, entre o segundo e o primeiro reator, isto é, tal como visto na direção do fluxo de partículas circulando entre os dois reatores, um terceiro reator 20 é fornecido na extremidade inferior do reator 2, o qual está mostrado como reator de leito fluidizado borbulhante ou BFB e assim não é de transporte de partículas. Entretanto, tal como qualquer reator adicional, o terceiro reator não está limitado a isto e pode ser implementado em qualquer posição do inventivo sistema de reator de leito fluidizado e com qualquer estado de fluxo, isto é, estacionário ou de transporte, como leito fluidizado homogêneo, borbulhante, vagaroso, turbulento ou rápido ou com transporte pneumático (ver Grace e Bi, 1997) . Do terceiro reator 20, uma linha de partículas 17 resulta no reator 1 para reciclar as partículas.

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24/29 [0052] O leito fluidizado estacionário no terceiro reator 20 contém principalmente partículas de maior peso, enquanto que o reator 2 posicionado acima contém partículas de menor peso, ou controle apropriado do fornecimento de fluido em 12 e 14 assim como dimensionamento correspondente das constrições 18 asseguram que uma certa parte de partículas do mesmo tipo permanece estacionária no reator 20 enquanto que o restante é submetido à fluidização rápida no reator 2. Igualmente, as partículas circulando através de todos os três reatores, isto é, a circulação global de sólidos, pode consistir partículas de substancialmente iguais ou de partículas de pesos diferentes, isto é, de fluidizabilidade diferente.

[0053] Por causa da baixa altura do ponto de saída da linha de partículas 17 do terceiro reator 20 e por causa da probabilidade mencionada anteriormente de presença, uma parte maior ou menor das mesmas partículas tal como no reator 20 também está presente no reator 1, o que depende fortemente do controle dos fluxos de fluido nos três reatores e da intensidade do fluxo de fluidização da linha

17. Se estas formam um leito estacionário no fundo do reator 1 ou são descarregadas completamente de novo na cabeça depende da intensidade dos fluxos de fluido, neste caso em 11 e 13 e na linha 17, assim como da fluidizabilidade das partículas. Fluidização correspondente e altura de enchimento das partículas de leito fluidizado podem resultar em um equilíbrio de nível de enchimento entre os primeiro e terceiro reatores, o que garante operação contínua do inventivo sistema de reator de leito fluidizado.

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25/29 [0054] Referindo-se de novo a um processo CLC exemplar, fornecer um combustível, por exemplo, carvão, via linha de alimentação 16 diretamente para dentro do terceiro reator 20, contendo um leito fluidizado estacionário, resulta em um primeiro contato intensivo entre o carvão e as partículas de carregador de oxigênio que atravessam o reator 2 e o reator 20 no sentido de contracorrente para os fluxos de gás nos mesmos e para as partículas de carvão. Após a primeira fase de combustão, os produtos de reações formados do carvão são fluidizáveis mais facilmente e de modo crescente são lançados para cima para dentro do reator

2, nas zonas de reação 10 nas quais eles têm contato crescente com carregador de oxigênio novo. Após serem descarregadas na cabeça do reator 2, as partículas são coletadas no separador de partículas e via linha de partículas são recicladas em uma das zonas de reação inferiores do reator

2. Daí, elas na maior parte são transportadas de novo para cima no leito fluidizado do reator 2 e de novo têm contato com o carregador de oxigênio.

Isto favorece a combustão completa do combustível.

[0055] A figura 4 mostra uma outra modalidade do sistema de reator de leito fluidizado da figura 3, onde os separadores de partículas dos dois reatores têm adicionalmente dois estágios, de maneira que o reator 1 compreende os dois separadores de partículas 3 e 23, e o reator 2 compreende os dois separadores de partículas 4 e 24. Aqui, os dois separadores de partículas originais 3 e 4 estão indicados como separadores gravitacionais. O separador 3 descarrega partículas coletadas no mesmo dentro

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26/29 da linha de partículas 7, da qual elas são fornecidas para o reator 2 no ponto de junção 27, enquanto que o separador de partículas 4 recicla as partículas diretamente dentro do reator 2 na cabeça do mesmo. Ambos os segundos estágios, isto é, os separadores de partículas 23 e 24, fornecem as partículas coletadas nos mesmos para o segundo reator via linhas de partículas 25 e 26, respectivamente. No presente caso, ambas as linhas de partículas resultam na mesma zona de reação 22, isto é, a mais baixa, do segundo reator 2. Abaixo disso, o terceiro reator 20 está localizado.

[0056] A não ser na modalidade da figura 3, partículas de maior peso que ainda contenham uma maior parte de componentes combustíveis são, após descarga na cabeça do reator 2, coletadas no primeiro separador de partículas 4 e recicladas diretamente dentro do reator 2, por exemplo, ao simplesmente permitir que escoem para trás. Partículas de menor peso, por exemplo, consistindo principalmente de cinza, são coletadas no segundo estágio de separador 24 e recicladas no reator 2 via linha de partículas 26. As partículas coletadas no segundo estágio 23 do separador de partículas do reator 1, as quais são, por exemplo, produtos de combustão transportados ao longo dele ou partículas de carregador de oxigênio que tenham sofrido abrasão e assim mostram maior fluidizabilidade, são colocadas em contato, na zona de reação 22 mais baixa do reator 2, com as partículas de combustível ascendendo do terceiro reator 20, com partículas recicladas via linha de partículas 26, com partículas de carregador de oxigênio precipitando de cima, e opcionalmente com partículas de combustível sólido fornecidas via linha de alimentação 19 que descem

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27/29 principalmente no leito fluidizado do reator de combustível. Deste modo, partículas de menor peso contidas no sistema também passam pelo reator 2 no sentido contracorrente para partículas de maior peso, o que de novo favorece reações completas (combustão) acontecendo no reator 2.

[0057] Além do mais, as zonas de reação 10 posicionadas umas acima das outras têm diferentes seções transversais, o que resulta em diferentes estados de fluidização nas mesmas, o que de novo está indicado com linhas tracejadas.

[0058] Além disso, as entradas do terceiro reator 20 são fornecidas em outras alturas a não ser aquelas na modalidade da figura 3. Na figura 4, a linha de alimentação de fluido mais baixa 12 abre para o fundo do reator 20, o que favorece a fluidização do leito fluidizado estacionário do reator. Por outro lado, o ponto de saída da linha 17 do reator 20 é posicionado em uma altura relativamente baixa, isto é, em 28.

[0059] A figura 5 mostra uma modalidade similar à figura 4 com os separadores de partículas de dois estágios 3, 4, 23, 24 e um terceiro reator 20. A diferença para a figura 4 se relaciona com reciclagem das partículas coletadas no separador de partículas de dois estágios 4, 24, a junção da linha de partículas 7 com reator 2 assim como com a posição da linha de partículas 17.

[0060] Na modalidade mostrada na figura 5, o primeiro estágio 4 do separador de partículas do reator 1 não fornece as partículas coletadas no mesmo de volta para a cabeça do reator, mas, por meio de uma linha de realimentação 8, de volta para uma zona de reação 10 mais

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28/29 baixa, na qual também abre a linha de partículas 7 proveniente do primeiro reator 1. Ao executar um processo CLC, sólidos reciclados do separador 4 para o reator de combustível 2, os quais consistem principalmente de partículas de combustível, são assim colocados em contato com um carregador de oxigênio novo proveniente do reator de ar, o que de novo favorece sua combustão completa.

[0061] As partículas de menor peso coletadas no segundo estágio de separador 24, por outro lado, são fornecidas diretamente para dentro do primeiro reator, isto é, o reator de ar. Isto é especialmente útil para uma combustão substancialmente livre de resíduos do(s) combustível(s) sólido(s) no reator de combustível, de maneira que as partículas coletadas no estágio de separador 24 consistem principalmente de carregador de oxigênio, por exemplo, produtos de abrasão do mesmo, as quais são assim transferidas para o reator de ar para regeneração sem passar de novo pelo reator de combustível.

[0062] Finalmente, a linha de partículas 17 entre o terceiro e o primeiro reator abre para dentro ou sai dos reatores, respectivamente, nos seus fundos. O fluxo de fluidização da linha 17 assim como aquele da fluidização direta 11 permitem assim controlar a extensão da circulação global, isto é, a parte de partículas se deslocando do terceiro para o primeiro reator. Em particular, a seleção de condições de fluidização apropriadas favorece o desenvolvimento de um equilíbrio de nível de enchimento entre os primeiro e terceiro reatores.

[0063] Tal como mencionado anteriormente, a figura 6 mostra uma vista detalhada de um segundo reator 2 dividido

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29/29 em zonas de reação dentro de um inventivo sistema de reator de leito fluidizado, mas sem reciclar partículas para o segundo reator e com uma única fluidização 12. 0 princípio de contracorrente entre as partículas de leito fluidizado fornecidas em 27 e descarregadas em 28 e o fluxo de fluido fornecido em 12 e descarregado em 6 assim como a fluidização de partículas dentro das zonas de reação 10 são facilmente reconhecíveis.

[0064] A figura 7 é uma fotografia de detalhe de uma zona de reação de um inventivo reator de leito fluidizado entre dois controladores de fluxo, a qual mostra claramente a distribuição das partículas de leito fluidizado dentro da zona de reação.

[0065] Consequentemente, os exemplos anteriores, dados somente para propósitos ilustrativos e não para serem entendidos como uma limitação, devem comprovar de forma suficiente que a presente invenção fornece um sistema de reator de leito fluidizado aperfeiçoado para executar reações físicas ou químicas, em que reações podem ser executadas mais rapidamente, mais completamente, com maiores rendimentos e assim de forma mais econômica do que seria possível de acordo com o estado da técnica.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de operação de um sistema de reator de leito fluidizado consistindo de pelo menos dois reatores de leito fluidizado para a realização de reações químicas, um primeiro e um segundo reator (1, 2), sendo operados como leitos fluidizados circulantes pela introdução de fluido por através de pelo menos uma entrada de fluido (11, 12) no fundo do respectivo reator (1, 2) e/ou imediatamente acima do citado fundo para gerar um leito de partículas fluidizado rápido e pelo transporte de partículas de leito fluidizado através de uma linha de partículas (7) compreendendo um separador de partículas (3) do primeiro para o segundo reator, e pelo retorno delas através de uma linha de partículas de drenagem (17) localizada na metade inferior do segundo reator (2) para o primeiro reator (1), e pelo retorno delas através de uma linha de realimentação de partículas (8) , que compreende um separador de partículas (4) a partir do segundo reator (2), o processo de operação de um sistema de reator caracterizado pelo fato de que zonas de reação (9, 10, 22) separadas por um ou mais controladores de fluxo (18, 21) na forma de constrições da seção transversal do reator para a realização das reações químicas são fornecidas pelo menos no segundo reator (2), cada uma sendo situada acima de um controlador de fluxo (18, 21) , e que a linha de partículas (7) abre para dentro do segundo reator (2) acima de pelo menos um controlador de fluxo (18) , de forma que partículas nas zonas de reação (10, 22) acima de qualquer controlador de fluxo (18) que está situado abaixo da abertura da citada linha de partículas (7) são transportadas no fluxo de

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2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que partículas são introduzidas no segundo reator (2) através da citada linha de partículas (7) acima de um controlador de fluxo mais alto (18) fornecido no segundo reator (2), de modo que as partículas

em todas zonas de reação (10, 22) do segundo reator (2) são transportadas no fluxo de contracorrente para o fluxo de fluido. 3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2,

caracterizado pelo fato de que o separador de partículas (3) e/ou o separador de partículas (4) é/são separador(es) de partículas de duplo estágio, de forma a coletar partículas mais leves ou mais pesadas e introduzi-las em diferentes alturas no segundo reator.

2/3 contracorrente para o fluxo de fluido; e em que as partículas localizadas abaixo do pelo menos um controlador de fluxo (18) que é fornecido no segundo reator (2) são introduzidas no segundo reator (2) e/ou na metade inferior do primeiro reator (1) através da citada linha de realimentação de partículas (8) , de modo que uma parte destas partículas no segundo reator (2) se move na direção para cima de novo e são então transportadas no fluxo de contracorrente para partículas introduzidas do primeiro reator (1) através da linha de partículas (7).

3/3 reações químicas realizadas no sistema de reator de leito fluidizado compreendem a conversão de combustíveis.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que partículas de diferentes tamanhos são transportadas em contracorrente uma a outra enquanto reações químicas são realizadas.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as

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6. Processo, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que combustíveis são

introduzidos entre duas zonas de reação (9, 10, 22) e/ou em uma zona de reação mais baixa (22) e/ou em um terceiro reator (20) interposto entre os primeiro e segundo

reatores.