BR112013017167B1 - reator térmico - Google Patents

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Klaus-Peter Schulz
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Pyrum Innovations International S.A.
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Abstract

reator térmico a invenção se refere a um reator térmico para a reciclagem contínua por processo de termólise de granulados de pneus usados, resíduos de vulcanização e resíduos de plástico, e outros produtos similares. para desenvolver um reator térmico de operação contínua para um método de pirólise desse tipo que possibilita submeter os granulados de pneus usados, de resíduos de vulcanização e de resíduos de plásticos a uma reciclagem termolítica contínua, sem o emprego de dispositivos adicionais de transporte e de mistura rotacionados por motor ou de dispositivos pneumáticos de descompactação, é proposto, no âmbito da invenção que: o reator térmico apresente uma parte de entrada, uma parte central da área de aquecimento e uma parte de saída dispostas verticalmente entre si; esteja disposto, na parte central da área de aquecimento centralmente no reator térmico, um tubo de aspiração, cuja superfície de revestimento apresenta inúmeras perfurações e/ou fendas para a dissipação dos vapores de hdirocarbonetos de cadeia curta gerados e sendo que estão inseridas redomas em formato de cone, no tubo de aspiração, dispostas uma sobre a outra, e sendo que são providos meios para aspirar, do tubo de aspiração, os vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta; e esteja provida, na parte central da área de aquecimentos, no revestimento externo, uma pluralidade de placas de aquecimento dispostas radialmente que estão dispostas defasadas entre si nos pisos de aquecimento situados um sobre o outro. no âmbito da invenção, foi mostrado que com um reator térmico vertical desse tipo, apesar da baixa capacidade de condução térmica desses materiais, é possivel reciclar granulados de pneus usados, resíduos de vulcanização e resíduos de plástico, em operação contínua, pois eles são submetidos a uma mistura e aquecimento homogêneos.

Description

(54) Título: REATOR TÉRMICO (51) Int.CI.: C10B 1/04; C10B 53/07; C10G 1/10.
(30) Prioridade Unionista: 05/01/2011 DE 10 2011 000 037.2.
(73) Titular(es): PYRUM INNOVATIONS INTERNATIONAL S.A..
(72) lnventor(es): KLAUS-PETER SCHULZ.
(86) Pedido PCT: PCT DE2012100002 de 03/01/2012 (87) Publicação PCT: WO 2012/092924 de 12/07/2012 (85) Data do Início da Fase Nacional: 03/07/2013 (57) Resumo: REATOR TÉRMICO A invenção se refere a um reator térmico para a reciclagem contínua por processo de termólise de granulados de pneus usados, resíduos de vulcanização e resíduos de plástico, e outros produtos similares. Para desenvolver um reator térmico de operação contínua para um método de pirólise desse tipo que possibilita submeter os granulados de pneus usados, de resíduos de vulcanização e de resíduos de plásticos a uma reciclagem termolítica contínua, sem o emprego de dispositivos adicionais de transporte e de mistura rotacionados por motor ou de dispositivos pneumáticos de descompactação, é proposto, no âmbito da invenção que: o reator térmico apresente uma parte de entrada, uma parte central da área de aquecimento e uma parte de saída dispostas verticalmente entre si; esteja disposto, na parte central da área de aquecimento centralmente no reator térmico, um tubo de aspiração, cuja superfície de revestimento apresenta inúmeras perfurações e/ou fendas para a dissipação dos vapores de hdirocarbonetos de cadeia curta gerados e sendo que estão inseridas redomas em formato de cone, no tubo de aspiração, dispostas uma sobre a outra, e sendo que são providos meios para aspirar, do tubo de aspiração, os vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta; e esteja (...).
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REATOR TÉRMICO
Descrição
A invenção se refere a um reator térmico para a reciclagem contínua por processo de termólise de granulados de pneus usados, resíduos de vulcanização e resíduos de plástico, e outros produtos similares.
De acordo com o estado da técnica, o processo de reciclagem de materiais granulados de pneus usados, resíduos de vulcanização e resíduos de plástico é realizado, com maior frequência, nos reatores de cilindro giratório e, com menor frequência, em reatores de fluxo turbulento, de leito fluidizado ou de leito arrastado, pois os últimos se encontram ainda em fase de desenvolvimento. Os, assim denominados, reatores cilíndricos verticais foram empregados, até o momento, como permutadores de calor para o aquecimento, sinterização e resfriamento de materiais sólidos fluidos e para a pirólise de restos orgânicos para gerar combustíveis alternativos. Da WO 2010/127664 Al são conhecidos um método de pirólise em operação contínua, de várias etapas e energeticamente auto-suficiente para recuperação fracionada de materiais e energia a partir de componentes orgânicos fluidos de estrutura molecular altamente reticulada, em especial, granulados de pneus usados, de perfis de vedação e outros granulados de material plástico; e um dispositivo para a realização do método. Para desenvolver um método de pirólise em operação contínua, de várias etapas e energeticamente auto-suficiente para granulados orgânicos fluidos de acordo com o conceito principal, é proposto nele que os granulados passem por um reator de pirólise vertical, de vários níveis, por gravimetria, de cima para baixo, sendo que os granulados devem ser aquecidos e pirolisados a temperaturas operacionais ajustadas diferentemente de forma gradual, em uma faixa entre 300 até 1200°C. Uma condensação
2/12 fracionada dos vapores de pirólise, na sequência, tem como efeito uma recuperação de conexões de óleo e gás e uma utilização motorizada dos gases de pirólise, conectada à jusante, gera a energia necessária para o processo de pirólise.
Constitui tarefa da presente invenção desenvolver um reator térmico de operação contínua para um método de pirólise desse tipo que possibilita submeter os granulados de pneus usados, de resíduos de vulcanizaçâo e de resíduos de plástico a uma reciclagem termolitica contínua, sem o emprego de dispositivos adicionais de transporte e de mistura rotacionados por motor ou de dispositivos pneumáticos de descompactação.
Essa tarefa é solucionada de acordo com a invenção por • o reator térmico apresentar uma parte de entrada, uma parte central da área de aquecimento e uma parte de saída dispostas verticalmente entre si;
• estar disposto, na parte central da área de aquecimento centralmente no reator térmico, um tubo de aspiração, cuja superfície de revestimento apresenta inúmeras perfurações e/ou fendas para a dissipação dos vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta gerados e sendo que estão inseridas redomas em formato de cone, no tubo de aspiração, dispostas uma sobre a outra, e sendo que são providos meios para aspirar, do tubo de aspiração, os vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta; e • estar provida, na parte central da área de aquecimentos, no revestimento externo, uma pluralidade de placas de aquecimento dispostas radialmente dispostas defasadas entre si nos pisos de que estão aquecimento situados um sobre o outro.
No âmbito da invenção, foi mostrado que com um
3/12 reator térmico vertical desse tipo, apesar da baixa capacidade de condução térmica desses materiais, é possível reciclar granulados de pneus usados, resíduos de vulcanização e resíduos de plástico, em operação contínua, pois eles são submetidos a uma mistura e aquecimento homogêneos. Os materiais atravessam o reator térmico vertical, no sentido de cima para baixo, em uma atmosfera com baixo teor de oxigênio e de pressão abaixo da pressão atmosférica e são dividas termicamente, nessa ocasião, em hidrocarbonetos de cadeia curta e em estado gasoso e em matérias sólidas (coques) que representam uma matéria-prima valiosa.
Na parte da entrada ocorre a adição dosada de materiais no reator térmico. Na parte central da área de aquecimento ocorre uma separação fracionada dos produtos de termólise gerados, em matéria sólida e vapor, a temperaturas situadas, preferivelmente, em uma faixa entre 500°C e 600°C, onde os vapores de hidrocarbonetos são aspirados na parte central da área de aquecimento que formam, em seguida, ligações de óleo com diferentes composições e são condensados formando gás permanente. Na parte de saída se acumula o material sólido em formato de coque, gerado no processo de termólise e ele é removido do reator térmico através de uma saída de matéria sólida.
Está presente no âmbito da invenção que placas de aquecimento curtas e longas estejam dispostas alternadamente tanto em um piso de aquecimento como também de um piso de aquecimento ao piso de aquecimento vizinho.
Essa medida tem como efeito, com a disposição defasada das placas de aquecimento, uma boa mistura e um aquecimento homogêneo do material.
Uma construção avançada preferida da invenção se constitui por as placas de aquecimento poderem ser inseridas em fendas de tamanho correspondente, no revestimento externo
4/12 do reator térmico e poderem ser removidas novamente para fora dessas fendas.
Isso possibilita uma manutenção rápida e uma substituição fácil de placas de aquecimento com defeito.
É vantajoso que as placas de aquecimento possam ser aquecidas eletricamente.
Nesse contexto, é vantajoso que estejam providos os meios para controlar os perfis de temperatura no reator térmico e para o ajuste individual da temperatura de cada placa de aquecimento.
Além disso, uma construção da invenção se constitui por os meios para a aspiração dos vapores de hidrocarbonetos do tubo de aspiração sejam formados como bocal de saída de vapor conectado com uma unidade de policondensação.
A seguir, a invenção é esclarecida mais detalhadamente com base em ilustrações.
Mostram:
Figura 1 um corte longitudinal de um reator térmico de acordo com a invenção sem dispositivo de catalisação;
Figura 2 um corte transversal (seção A-A) na parte superior do reator térmico de acordo com a figura 1;
Figura 3 uma dissolução do revestimento externo do reator térmico de acordo com a invenção com a disposição dos pisos de placas de aquecimento defasados;
Figura 4 e vista A uma placa permutadora de calor bem como uma vista detalhada dela;
Figura 5 um corte longitudinal de um reator térmico de acordo com a invenção com dispositivo de catalisação adicional.
O reator térmico (1) é construído, de acordo com a invenção, como um recipiente sob pressão vertical, flangeado, de inúmeras partes. Ele é composto, por causa das altas
5/12 cargas térmicas, inteiramente de aço ou liga de aço resistente ao calor como, por exemplo, 1.4828, 1.4841, AVESTA 253 MA, Nicrofer 45 TM ou materiais similares.
A figura 1 mostra um corte longitudinal através do reator térmico (1) de acordo com a invenção e apresenta o princípio básico da construção. O reator térmico (1) apresenta (visto de cima para baixo) uma parte de entrada (2) em formato de cone sem ponta, na qual se une uma parte central da área de aquecimento (3) que transpassa em uma parte de saída (4) em formato de cone sem ponta.
Para minimizar uma penetração de oxigênio no reator térmico (1), o que é indesejado para o método de termólise, a entrada e saída de granulado para dentro e para fora do reator (1) ocorrem, de acordo com a invenção, por meio de um sistema de entrada de materiais (23). Ele é composto preferivelmente de um alimentador giratório resistente a choques de pressão e com rotor facilmente desmontável, de uma regulagem da velocidade realizada por meio de um conversor de frequência e de uma conexão de inertização, combinado com uma válvula de bloqueio para materiais sólidos.
A partir de um reservatório para granulados situado acima do reator (1), os granulados são dosados no reator térmico, através dos bocais de entrada de matéria sólida. Um distribuidor de material (10) realiza a distribuição uniforme dos granulados ao longo de todo o corte transversal em formato circular do reator (1) . De acordo com o tamanho do grão e o tipo de material, se forma, no interior do reator térmico (1) uma coluna de recheio que, em razão da gravidade se move, continuamente, de cima para baixo, através do reator térmico (1). A coluna de granulado é delimitada pelo revestimento externo cilíndrico (14), os componentes internos (5), pelas placas de aquecimento (9) curtas e longas dispostas alternadamente no revestimento externo (14), no
6/12 sentido radial, que se estendem no compartimento interno do reator (1), bem como pela altura do nível de enchimento no reator (1).
Por meio da disposição radial das placas de aquecimento (9) e a disposição defasada delas nos pisos de aquecimento dispostos um sobre o outro, a coluna de granulados é dividida em pequenas seções semelhantes a pedaços de torta. Uma boa mistura dos granulados e, com isso, um aquecimento uniforme deles ocorre, por um lado, por meio da disposição defasada de placas de aquecimento (9) curtas e longas e, por outro lado, por meio dos componentes internos (5) na parte da área de aquecimento (3) do reator térmico (1), que são construídos como elementos de circulação e deslocação e eles realizam uma equalização do perfil de velocidade dos granulados no reator térmico (1).
Por meio do contato forçado e do contato estreito dos granulados com as placas de aquecimento (9) aquecidas, de preferência, eletricamente, eles podem ser aquecidos sem graduação a temperaturas de reação de até 950°C e divididos termicamente. As temperaturas de reação são controladas por meio de um sistema de controle do processo (21) dependendo do tipo de material, do tamanho do grão e suas características de condução térmica. 0 perfil de temperatura no reator térmico (1) pode variar, nessa ocasião, ao longo do corte transversal do reator e da altura de toda a parte central da área de aquecimento (3) e a temperatura de cada placa de aquecimento (9) pode ser ajustada individualmente.
A altura do nível de enchimento do granulado no reator térmico (1) é medida e regulada por meio do dispositivo de medição do nível de enchimento e de regulação Y (15). O tempo de permanência dos granulados no reator térmico (1) a uma temperatura de reação pré-estabelecida e, com isso, o grau de dissociação das ligações múltiplas dos
7/12 hidrocarbonetos também são captados e controlados automaticamente pelo sistema de controle do processo (21).
No tubo central de aspiração (11) instalado centralmente no reator térmico (1) se encontram inúmeras perfurações e/ou fendas, na superfície de revestimento, que conduzem os vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta gerados para fora. Assim, surge um fluxo transversal desses vapores em relação ao fluxo de material sólido, portanto um fluxo cruzado. As aberturas de sucção são cobertas e protegidas pelas redomas em formato de cone inseridas no tubo de aspiração (11), dispostas uma sobre a outra, denominadas componentes internos (5), para que não seja aspirado junto nenhum granulado ou nenhuma partícula de poeira. Os vapores gerados na termólise podem passar através do lado inferior aberto das redomas até as aberturas de aspiração e penetrar através delas no tubo de aspiração (11) . Os vapores chegam, então, por meio de pressão negativa de aprox. -50 mbar até 7 5 mbar, através da saída de vapor (8) até a uma unidade de policondensação (26), onde eles entram em ligações de óleo com diferentes composições, viscosidades, valores caloríficos e são condensados formando gases permanentes.
A parcela de material sólido gerado durante o processo de termólise do granulado de pneu usado de aprox. 45 até 52 porcentagem em massa, em forma de granulado de coque, é composta de aprox. 7 0 até 90% de carbono puro e de aprox. 10 até 25% de material de enchimento anorgânico que são adicionados aos pneus novos em sua fabricação. O valor calorífico médio Hu é de aprox. 23 até 30 MJ/kg e a superfície BET média é de aprox. 80 até 120 m2/g. O granulado de coque se acumula na parte de saída (4), que apresenta um formato de cone, e é levado até a espiral de resfriamento através da saída de matéria sólida (7) e por meio de um sistema de saída de materiais (24), de construção semelhante
8/12 ao sistema de entrada de materiais (23) mas em uma versão para altas temperaturas, lá ele é resfriado até a temperatura ambiente e armazenado temporariamente nas instalações de depósito.
Na figura 2 é ilustrado o principio de distribuição de acordo com a invenção das placas de aquecimento longas e curtas (9.1, 9.2) dentro do reator térmico (1). O intervalo de separação t das placas de aquecimento(9.1, 9.2) na extensão do reator térmico (1) é determinado por meio da condutividade térmica λ do material granulado a ser processado e do tamanho do granulado.
Exemplo:
Suponhamos que a profundidade máxima de penetração do calor na camada de granulado é reator térmico (1) é igual a 4800 de aquecimento é, portanto, n = 4 800 mm : 100 mm = de mm,
100 mm e a extensão do a quantidade de placas
O ângulo de separação at placas de aquecimento = 7,5 °
Devido ao placas de aquecimento, é igual a at = 360 ° necessárias 24 placas 9.2) para um piso de de aquecimento das calculadas conforme tipo de construção foram, portanto, de aquecimento longas e 24 curtas (9.1; aquecimento. A quantidade e a potência placas de aquecimento no total as regra gerais de interpretação são do permutador de calor.
figura
Na é ilustrado, revestimento externo das placas aquecimento.
(14), o principio de aquecimento (9.1;
A disposição defasada das do em uma dissolução da disposição defasada 9.2) nos pisos de placas de aquecimento (9.1; 9.2) pode ser facilmente reconhecida. A disposição e execução das placas permutadoras de calor (9..9n), que são aquecidas eletricamente e fixadas radialmente no revestimento externo (14), tem como efeito uma entrada de calor ideal no
9/12 granulado, pois tanto o intervalo de separação t das placas permutadoras de calor(9..9n) na horizontal, como também a distância dos pisos de aquecimento na vertical e sua disposição defasada são configurados de acordo com o tamanho e o tipo do granulado a ser processado e surtem, por meio disso, uma alta eficiência.
Na figura 4 são ilustradas as fixações das placas de aquecimento(9.1; 9.2) no revestimento externo (14) . As placas de aquecimento(9.1, 9.2)são inseridas em fendas de tamanho correspondente no revestimento externo (14) do reator térmico (1) e podem ser retiradas individualmente do revestimento externo (14) do reator térmico (1) para a manutenção ou substituição.
Na figura 5 é ilustrado, de acordo com a invenção, um reator térmico (1) ccm a possibilidade de um tratamento catalítico adicional des vapores de hidrocarbonetos. A princípio, a configuração e a execução são similares do reator térmico (1) são similares ao ilustrado na figura 1. Apenas a parte de saída (4) é modificada, nela se encontra uma série adicional de placas de aquecimento (9) que garante uma temperatura de 600 °C para os vapores gerados. Na parte de saída (4.1) está ilustrado um filtro de leito recheado (22) para os catalisadores, no qual os vapores estão em contato direto com o granulado catalisador, em seu local de surgimento. As temperaturas necessárias para o processo de rompimento do vapor são controladas pelo sistema de controle do processo (21) . O importante, nessa ocasião, é manter a temperatura mínima de aprox. 550°C e uma pressão negativa de, no mínimo, 50 mbar.
Como alguns componentes do vapor já começam a condensar a temperaturas de aprox. 450°C a 500°C e formam uma massa que tende a se carbonizar com a poeira mais fina que se forma na instalação, há o risco de acumulação no tubo de
10/12 vapor que conduz à unidade de policondensação (26) . Como medida preventiva adicional contra esses fenômenos, são adequadas placas de aquecimento e arames de aquecimento aquecidos eletricamente com uma construção isolante para altas temperaturas em toda a extensão.
Como catalisadores para o filtro de leito recheado (22) se comprovaram eficientes na petroquímica catalisadores misturados comuns como, por exemplo, SÍO2/AI2O3, Cr2O3/Fe2O3 bem como zeólito.
Por motivos de estabilidade e por causa da expansão longitudinal considerável no estado operacional, ocorre a suspensão do reator (1) por meio de estruturas de apoio (17) no local de maior resistência à tração, na parte superior da área de aquecimento (3).
De acordo com a invenção, a construção do reator térmico (1) é realizada de forma flangeada e subdividida em seções de processo. Essa forma de execução oferece as seguintes vantagens técnicas e tecnológicas como, por exemplo, possibilidades de fabricação, reparação e substituição mais simples, um melhor manuseamento no transporte e na montagem, bem como uma flexibilidade maior do reator térmico (1) no que se refere ao emprego dos produtos a serem processados, à correção mais fácil em caso de expansão da capacidade e alterações no tipo e divisão do produto final intencionado.
A configuração construtiva do reator térmico (1) foi mantida, de acordo com a invenção, bastante simples e projetada de forma a facilitar a manutenção e reparação por meio da acomodação prática, como, por exemplo, instalação de aberturas de inspeção (12) na parte superior do reator (2) e aberturas de inspeção (13) na parte inferior do reator, bem como a configuração facilmente desmontável dos componentes internos (5), do distribuidor de material (10) e o tubo de
11/12 aspiração central (11).
Com esse reator de termólise é possível um método de reciclagem ambientalmente correto, isento de resíduos e energeticamente auto-suficiente, o que se destaca pela alta flexibilidade tecnológica no que se refere ao emprego do tamanho do granulado, tipo do material a ser processado e à correção mais fácil em caso de extensão da capacidade e alterações no tipo e na relação da divisão do produto final.
É possível um emprego próprio do gás permanente com um valor calorífico Hu mais baixo de 30 a 45 MJ/m3 e um número de metano médio igual a 60 para a alimentação autosuficiente de energia por meio de uma geração de energia motorizada em uma unidade de gerador e motor a gás, geralmente em um BHKW, e a matéria sólida composta de aprox. 45 a 52 porcentagem em massa de carbono puro em forma de granulado e fuligem com uma superfície BET de 80 até 120 m2/g, um valor calorífico médio de 23 a 30 HJ/kg e de aprox. 10 a 25 porcentagem em massa de material de enchimento anorgânico pode ser reutilizada, por exemplo, na indústria de pneus e borracha.
Os óleos das diferentes frações liberados no
processo de termólise no reator térmico (1) e na unidade de
policondensação (26) podem ser empregados na refinaria de
petróleo, na indústria de plástico ou borracha, na fabricação de óleos de aquecimento ou de combustível, bem como na fabricação de fuligem para o processamento posterior.
Lista dos números de referência reator térmico parte de entrada parte central da área de aquecimento parte de saída componentes internos
12/12 bocais de entrada de matéria sólida saída de matéria sólida saída de vapor placas de aquecimento distribuidor de material tubo central de escape de vapor abertura de inspeção superior abertura de inspeção inferior revestimento externo cilíndrico dispositivo de medição do nível de enchimento e de regulação conexões de inertização estruturas de apoio dispositivos de medição, controle e regulação da temperatura, pressão e do teor de oxigênio entrada do catalisador descarga do catalisador sistema de controle do processo (PCS) com comando lógico programável (PLC) filtro de leito recheado sistema de entrada de matéria sólida sistema de descarga de matéria sólida espiral de resfriamento unidade de policondensação
1/2

Claims (7)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. REATOR TÉRMICO, em especial, para a reciclagem termolitica, em operação contínua, de granulados de pneus usados, de resíduos de vulcanização e de resíduos de plástico e produtos similares, caracterizado por o reator térmico (1) apresentar uma parte de entrada (2), uma parte central da área de aquecimento (3) e uma parte de saída (4) dispostas verticalmente entre si;
    estar disposto, na parte central da área de aquecimento (3) centralmente no reator térmico (1) , um tubo de aspiração (11), cuja superfície de revestimento apresenta inúmeras perfurações e/ou fendas para a dissipação dos vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta gerados e sendo que estão inseridas redomas (5) em formato de cone, no tubo de aspiração (11), dispostas uma sobre a outra, e sendo que são providos meios (8) para aspirar, do tubo de aspiração (11), os vapores de hidrocarbonetos de cadeia curta; e estar provida, na parte central da área de aquecimento (3) do revestimento externo (14), uma pluralidade de placas de aquecimento (9) dispostas radialmente que estão dispostas defasadas entre si nos pisos de aquecimento situados um sobre o outro.
  2. 2. REATOR TÉRMICO de acordo com a reivindicação
    1, caracterizado por as placas de aquecimento (9) curtas e longas estarem dispostas alternadamente tanto em um piso de aquecimento como também de um piso de aquecimento ao piso de aquecimento vizinho.
  3. 3. REATOR TÉRMICO de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as placas de aquecimento (9) poderem ser inseridas em fendas de tamanho correspondente, no revestimento externo (14) do reator térmico (1) e poderem ser removidas para fora dessas fendas.
  4. 4. REATOR TÉRMICO de acordo com a reivindicação
    2/2
    1, caracterizado por as placas de aquecimento (9) poderem ser aquecidas eletricamente.
  5. 5. REATOR TÉRMICO de acordo com a reivindicação
    1, caracterizado por estarem providos meios (21) para
    5 controlar os perfis de temperatura no reator térmico (1) e para o ajuste individual da temperatura de cada placa de aquecimento (9) .
  6. 6. REATOR TÉRMICO de acordo com a reivindicação
    1, caracterizado por os meios (8) para a aspiração dos
  7. 10 vapores de hidrocarbonetos do tubo de aspiração (11) serem formados como bocal de saída de vapor (8) conectado com uma unidade de policondensação (26).
    1/4
    23---------------------------:
    24, 25
    FIGURA 2
    2./1)
    FIGURA 3
    Dissolução do revestimento externo 14
    9. n
    3/4
    Vista A
    4/4
    24,25
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