BR112018009507B1 - Aparelho e processo para produção de formaldeído, e, uso de um aparelho - Google Patents

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Abstract

APARELHO E PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE FORMALDEÍDO, E, USO DE UM APARELHO. É descrito um aparelho para produção de formaldeído. O aparelho compreende uma seção de reator tubular resfriado (8, 108, 208, 308, 408, 508) tendo uma primeira entrada, uma primeira saída e uma pluralidade de tubos cada um tendo uma primeira extremidade em comunicação fluídica com a primeira entrada e uma segunda saída em comunicação fluídica com a primeira saída. A pluralidade de tubos contém um primeiro catalisador para produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa. O aparelho é distinguido pelo fato de que o aparelho compreende adicionalmente uma seção de pré-reator (7, 107, 207, 307, 407, 507). A seção de pré- reator (7, 107, 207, 307, 407, 507) tem uma entrada. A seção de pré-reator (7, 107, 207, 307, 407, 507) tem uma saída em comunicação fluídica com a primeira entrada da seção de reator tubular resfriado (8, 108, 208, 308, 408, 508). A seção de pré- reator (7, 107, 207, 307, 407, 507) é configurada para conter, em uso, um leito de catalisador adiabático. O leito de catalisador adiabático compreende um segundo catalisador para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica.

Description

Campo da Invenção
[001] A presente invenção refere-se a um aparelho e processo para a produção de formaldeído. Mais particularmente, a invenção se refere a um aparelho e processo para a produção de formaldeído pela desidrogenação oxidativa catalítica usando um catalisador de óxido misto, tal como um catalisador FeMo. Mais particularmente, mas não exclusivamente, a invenção refere-se a um aparelho e processo para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica de metanol usando um catalisador de óxido misto, tal como um catalisador FeMo.
Fundamentos
[002] Formaldeído pode ser produzido pela desidrogenação oxidativa catalítica de metanol. Os processos para se efetuar tal produção são conhecidos, por exemplo, por meio da patente W09632189 ou US2504402. O catalisador compreende, tipicamente, molibdênio e óxidos de ferro. O formaldeído também pode ser produzido por uma mistura de desidrogenação oxidativa catalítica e desidrogenação catalítica do metanol usando um catalisador de prata ou cobre. A presente invenção refere-se à produção de formaldeído por meio da desidrogenação oxidativa catalítica usando catalisadores de óxido mistos. A reação para formar formaldeído a partir de metanol por meio da utilização de catalisadores de óxidos mistos é exotérmica. A reação pode ser efetuada em um reator isotérmico, tipicamente um reator tubular, no qual o calor da reação é removido por um fluido de transferência de calor. Ficará claro que os chamados “reatores isotérmicos são, tipicamente, pseudo-isotérmicos, no sentido de que a temperatura varia ao longo do comprimento do reator, apesar do resfriamento provido para remover o calor da reação. Tais reatores também podem ser denominados reatores “resfriados”. A reação também pode ser efetuada em um reator adiabático, no qual o calor é removido e a temperatura do conteúdo do reator aumenta à medida que passa através do reator. Seja qual for o tipo de reator usado, com o passar do tempo o catalisador se desgasta, torna-se menos eficaz e precisa ser substituído. A substituição do catalisador em um reator tubular pode levar de 4 a 5 dias, período em que o reator é desligado, gerando prejuízo.
[003] Atualmente muitas unidades comerciais de produção de formaldeído por meio da utilização de catalisadores de óxido mistos são baseadas em reatores tubulares isotérmicos. O reator tubular isotérmico seria, tipicamente, alimentado com metanol de até 11% de volume. Acima de tal nível, a falta de oxigênio poderia levar a um desgaste prematuro do catalisador. Os reatores tubulares podem ser arranjados em série, o que pode permitir a utilização de uma maior alimentação de metanol do que com um único reator.
[004] Um pós-reator adiabático também pode ser acrescentado a jusante do reator tubular isotérmico. Tal reator adiabático visa aumentar a conversão do metanol por meio da compensação da ineficácia do catalisador no reator tubular isotérmico.
[005] As modalidades preferidas da presente invenção procuram superar uma ou mais dentre as desvantagens acima da técnica anterior. Em particular, as modalidades preferidas da presente invenção procuram prover um aparelho e processo aperfeiçoados para a produção de formaldeído
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[006] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um aparelho para a produção de formaldeído, o aparelho compreendendo uma seção de reator tubular resfriado tendo uma primeira entrada, uma primeira saída e uma pluralidade de tubos, cada um tendo uma primeira extremidade em comunicação fluídica com a primeira entrada e uma segunda extremidade em comunicação fluídica com a primeira saída, a pluralidade de tubos sendo configurada para conter, em uso, um primeiro catalisador para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica, o aparelho sendo distinguido pelo fato de compreender, adicionalmente, uma seção de pré- reator que tem uma entrada e uma saída em comunicação fluídica com a primeira entrada da seção de reator tubular resfriado, a seção de reator sendo configurada para conter, em uso, um leito de catalisador adiabático que compreende um segundo catalisador para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica.
[007] Portanto, a invenção provê uma seção de pré-reator adiabático arranjada a montante da seção de reator tubular resfriado. A provisão de uma seção de pré-reator adiabático é vantajosa no sentido de que pode ser significativamente mais rápida a substituição do catalisador na seção de pré- reator. O leito de catalisador na seção de pré-reator é, preferivelmente, um leito fixo de catalisador, que pode ser removido e substituído em poucas horas. Isso é muito mais rápido do que o tempo de substituição de 4-5 dias do catalisador nos tubos do reator tubular. O catalisador a montante se desgasta com maior rapidez. Nos reatores tubulares da técnica anterior, o desgaste do catalisador próximo ao início dos tubos é que ditava as exigências a respeito do ciclo de substituição do catalisador. Na presente invenção, o catalisador na seção de pré- reator tubular pode ser substituído com mais frequência, com um curto tempo de substituição, e o catalisador na seção de reator tubular pode ser substituído a intervalos maiores. O resultado é que longos períodos de desligamento para substituir o catalisador nos tubos são apenas necessários em intervalos de tempo muito mais amplos. A presença da seção do pré-reator também pode reduzir a carga de calor na seção de reator tubular resfriado (isto é, o calor gerado pela reação na seção de reator tubular resfriado, a qual precisa ser removida no lado do invólucro da seção do reator tubular resfriado). Assim, a invenção permite, vantajosamente, que as usinas existentes com seções de reator tubular resfriado com tubos curtos recebam melhorias para aumentar a capacidade. A invenção também permite, vantajosamente, um melhor controle de temperatura na seção de reator tubular resfriado. Nos reatores da técnica anterior, a temperatura de fluido de transferência de calor precisava dar conta dos altos níveis de calor resultantes da elevada taxa de reação na parte inicial do tubo. Porém, com uma seção de pré-reator presente, a taxa de reação inicial na seção de reator tubular resfriado pode ser menor e o fluido de transferência do calor pode ser melhor ajustada à geração de calor ao longo de todo o comprimento do tubo. A invenção também aumenta, vantajosamente, a produção média por um período maior de tempo, por exemplo, por um ano, pelo fato de poder substituir o catalisador, com maior frequência, na seção de pré-reator. No passado, o período de tempo requerido para uma carga de catalisador pode ter levado a um equilíbrio entre a diminuição da produção e o custo de um desligamento. Na presente invenção, o catalisador na seção de reator tubular resfriado dura mais tempo e o catalisador na seção de pré-reator pode ser mantido revitalizado por mudanças mais frequentes que são realizadas de modo mais rápido. Como resultado, o desgaste total do catalisador é reduzido e a produção média por um período maior de tempo é aumentada. Preferivelmente, a invenção permite aumento na produção média de cerca de 0,5% em relação aos sistemas da técnica anterior e até cerca de 2% imediatamente após o recarregamento do catalisador na seção de pré-reator adiabático comparado com os sistemas da técnica anterior sem uma pré-carga neste ponto.
[008] A seção do reator tubular resfriado é, preferivelmente, uma seção de reator tubular resfriado de fluido de transferência de calor. Preferivelmente, a seção de reator tubular resfriado compreende, adicionalmente, um invólucro que circunda a pluralidade de tubos e tem pelo menos uma segunda entrada e pelo menos uma segunda saída para passar o fluido de transferência de calor através do invólucro em uso. Assim, a seção de reator tubular resfriado pode ser uma seção de reator tubular que tem uma primeira entrada, uma primeira saída e uma pluralidade de tubos, cada um tendo uma primeira extremidade em comunicação fluídica com a primeira entrada e uma segunda extremidade em comunicação fluídica com a primeira saída, a pluralidade de tubos configurada para conter, em uso, um primeiro catalisador para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica, a seção de reator tubular resfriada compreendendo, ainda, um invólucro que circunda os tubo e é configurada para conter um meio de transferência de calor, por exemplo, um fluido de transferência de calor. A seção de reator tubular resfriada pode ser configurada de modo que, em uso, o meio de transferência de calor remova o calor gerado nos tubos. Por exemplo, o invólucro pode ter pelo menos uma segunda entrada e pelo menos uma segunda saída para passar o fluido de transferência de calor através do invólucro em uso. Preferivelmente, os tubos contêm o primeiro catalisador.
[009] A seção de pré-reator é configurada para conter, em uso, um leito de catalisador adiabático. Preferivelmente, a seção de pré-reator compreende o leito de catalisador adiabático. Preferivelmente, o leito de catalisador é um leito fixo que compreende o segundo catalisador. Preferivelmente, o leito de catalisador é um leito único. Isto é, o leito de catalisador não é um arranjo tubular, mas um leito fixo de catalisador que se estende através do trajeto do fluxo. Em algumas modalidades, este leito de catalisador pode compreender um número pequeno, por exemplo, 2, 3 ou 4 leitos em paralelo. Porém, o leito de catalisador não é um leito tubular e nada é fornecido para a remoção do calor dentro do leito de catalisador. Assim, o leito de catalisador é tido como um leito de catalisador adiabático. Será observado que a velocidade de substituição do leito de catalisador, comparado com o leito tubular, é importante. Dessa forma, o leito de catalisador pode ser arranjado de modo tal que possa ser substituído em não mais do que 4, preferivelmente 3 e, mais preferivelmente, 2 horas. Isso pode ser feito tendo- se um leito fixo único ou um pequeno número, por exemplo, 2, ou 3, ou 4 leitos em paralelo.
[0010] Segundo catalisador pode ser o mesmo que o primeiro catalisador, ou pode ser diferente do primeiro catalisador. O primeiro ou o segundo catalisador, ou ambos, podem compreender uma mistura, ou arranjo estruturado, tais como camadas, de um ou mais catalisadores. Isso pode ser vantajoso em relação à provisão de diferentes catalisadores em diferentes partes dos reatores para otimizar o desempenho. Assim, o primeiro catalisador pode ser um catalisador único ou uma mistura de catalisadores. O segundo catalisador pode ser um catalisador único ou uma mistura de catalisadores. O primeiro ou segundo catalisador pode ser misturado com componentes não- ativos, tais como anéis cerâmicos. O primeiro e segundo catalisadores são catalisadores para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica. Preferivelmente, o primeiro ou o segundo catalisador, ou ambos, são catalisadores para a produção de formaldeído por meio de desidrogenação oxidativa catalítica de metanol. Preferivelmente, os catalisadores são catalisadores de óxido mistos, por exemplo, catalisadores FeMo.
[0011] Preferivelmente, a área de seção transversal (isto é, a área perpendicular à direção de fluxo geral) do leito de catalisador da seção de pré- reator é, substancialmente, a mesma que a área de seção transversal tubular da seção de reator tubular resfriado (isto é, a soma das áreas de seção transversal dos tubos). Por exemplo, a área de seção transversal do leito de catalisador da seção de pré-reator pode estar na faixa de 50% a 150% e, preferivelmente, 70% a 130% da área de seção transversal tubular da seção de reator tubular resfriado. Em algumas modalidades, o aparelho pode compreender uma pluralidade de seções de reator tubular resfriado arranjadas em paralelo à saída da seção de pré-reator que está em comunicação com a primeira entrada de cada uma das seções de reator tubular resfriado. Em tais modalidades, a área de seção transversal tubular das seções de reator tubular resfriada será compreendida como sendo a soma das áreas de seção transversal de cada seção de reator tubular resfriada (isto é, a soma das áreas de seção transversal dos tubos em todas as seções de reator tubular paralelas).
[0012] Em algumas modalidades, a seção de pré-reator e a seção de reator tubular podem ser alojadas em série em um único receptáculo. Aparelhos de resfriamento, tais como bobinas de resfriamento, podem ser arranjadas entre as seções. Preferivelmente, a seção de pré-reator está em receptáculo separado da seção de reator tubular resfriado. Assim, o aparelho pode compreender um pré-reator que contém a seção de pré-reator e um reator tubular resfriado que contém a seção de reator tubular resfriado. Preferivelmente, o aparelho inclui um desvio através do pré-reator. Desse modo, o aparelho pode ser operado com o pré-reator isolado, enquanto o catalisador no pré-reator é reabastecido, aumentando, assim, a produtividade do aparelho.
[0013] Preferivelmente, o aparelho inclui um trocador de calor conectado à entrada e à saída do pré-reator, de modo tal que, em uso, o gás que deixa o pré-reator seja usado para aquecer a alimentação ao pré-reator. Vantajosamente, isso resfria o gás antes que o mesmo passe para o reator tubular resfriado e aquece a alimentação à temperatura desejada na entrada do pré-reator. Preferivelmente, o aparelho compreende, ainda, uma válvula de desvio conectada entre uma entrada e uma saída do trocador de calor de modo que, alguma corrente, ou toda a corrente, que deixe o pré-reator possa ser derivada de modo a se desviar do trocador de calor. Tal válvula de desvio pode, vantajosamente, permitir o controle da temperatura da corrente que passou para a entrada do pré-reator. O aparelho da invenção permite, vantajosamente, que a temperatura do pré-reator seja controlada ajustando-se a temperatura de entrada a esse reator. Desse modo, a temperatura no pré- reator pode ser diferente da temperatura no reator tubular, permitindo, assim, outras opções para a otimização do processo. A capacidade de controlar a temperatura do pré-reator ajustando-se a temperatura na entrada e reduzir a temperatura dos gases entre a saída do pré-reator e a entrada do reator tubular resfriado permite que o processo se realize de forma mais eficiente, por exemplo, ajustando as condições à medida que o catalisador se desgasta.
[0014] Preferivelmente, o aparelho compreende um gerador de vapor conectado à saída da seção de pré-reator para gerar vapor e resfriar os gases que deixam a seção de pré-reator. Isso pode prover, vantajosamente, gases mais frios para alimentar a seção de reator tubular resfriado e, ao fazer isso, produzir vapor útil. Em algumas modalidades, o gerador de vapor pode estar conectado a uma saída do trocador de calor, de modo que uma corrente que deixe a seção de pré-reator flua em uso para o gerador de vapor via o trocador de calor. Em algumas modalidades, o gerador de vapor pode estar conectado diretamente (isto é, sem uma operação de intervenção da unidade) à saída da seção do pré-reator. Em tais modalidades, uma saída do gerador de vapor pode estar conectada ao trocador de calor, de modo que uma corrente que deixe o pré-reator flua em uso para o trocador de calor via o gerador de vapor. Alternativamente, em tais modalidades, a saída do gerador de vapor pode estar conectada diretamente à primeira entrada da seção de reator tubular resfriado.
[0015] Preferivelmente, o aparelho compreende uma entrada de alimentação adicional, conectada à primeira entrada da seção do reator tubular resfriado. Por exemplo, a entrada de alimentação adicional pode ter uma forma de uma válvula em um tubo que porta a corrente da seção de pré-reator para a seção de reator tubular resfriado. A entrada de alimentação adicional pode ser usada para acrescentar mais metanol à corrente de gases que saem da seção de pré-reator antes de serem alimentadas à seção de reator tubular resfriado. Isso pode ser vantajoso no sentido de permitir que uma quantidade extra de metanol seja acrescentada ao processo, aumentando, assim, o fluxo de produto de formaldeído que sai da seção do reator tubular resfriado.
[0016] Em algumas modalidades, o aparelho pode ser provido de trocador de calor conectado à primeira entrada e à primeira saída da seção do reator tubular resfriado, de modo que possa haver troca de calor entre as correntes que fluem para a seção de reator tubular resfriado e a partir da mesma. Tais arranjos podem fazer usos vantajosos do calor na corrente que deixa a seção de reator tubular resfriado. Em tais modalidades, a entrada de alimentação adicional pode ser uma entrada de alimentação adicional no trocador de calor. Isso pode ser vantajoso no sentido de que a corrente que sai da seção do reator tubular resfriado pode ser usada para ajudar na vaporização do metanol adicionado através da entrada de alimentação adicional.
[0017] Vantajosamente, o aparelho é provido de um turbocompressor para pressurizar o gás que entra no aparelho. O gás é pressurizado antes de ser alimentado à seção do pré-reator. Portanto, o turbocompressor está a montante da seção do pré-reator. Preferivelmente, o turbocompressor é potencializado pela energia do gás residual da produção de formaldeído. Por exemplo, em algumas modalidades, pode ser feita a combustão dos gases residuais da produção, por exemplo, em um sistema de controle de emissões, a energia usada para potencializar o turbocompressor. Por exemplo, em algumas modalidades, o fluxo de volume através do aparelho, que é aumentado pela natureza exotérmica da produção de formaldeído e/ou a combustão do gás residual, pode ser usado para potencializar o turbocompressor. Por exemplo, o aparelho pode compreender um absorvedor, ou outra unidade de recuperação de formaldeído, a jusante da seção de reator tubular resfriado e a jusante dos trocadores de calor ou geradores de vapor opcionais e um sistema de controle de emissões a jusante do absorvedor. Os gases que saem da seção de reator tubular resfriado podem passar para o absorvedor para recuperar o formaldeído, com o gás restante que deixa o absorvedor (por exemplo, o gás residual) sendo passado para o sistema de controle de emissões. No sistema de controle de emissões, o gás residual é, preferivelmente, queimado, por exemplo, por incineração catalítica, para remover componentes prejudicais. O gás quente que deixa o sistema de controle de emissões pode ser passado para um lado de turbina do turbocompressor para potencializar a compressão dos gases que entram no aparelho em um lado do compressor do turbocompressor. A turbina pode potencializar o compressor diretamente, por exemplo, via um eixo, ou pode potencializar o compressor indiretamente, por exemplo, potencializando um gerador que, por sua vez, fornece energia elétrica ao compressor. A velocidade da turbina pode ser regulada por meio de uma válvula borboleta e/ou corrente de desvio. Um sistema de turbocompressor adequado pode ser conforme descrito em WO2007111553. O uso de tal sistema de turbocompressor é particularmente vantajoso com uma seção de pré-reator, uma vez que permite que a seção de pré-reator seja operada a altas temperaturas sem acarretar custo de compressão excessivo. Isso proporciona benefícios específicos em um sistema de acordo com a presente invenção em que uma seção de pré-reator está presente porque o aumento de pressão aumenta o rendimento e, portanto, a produção de formaldeído. Nos sistemas anteriores, esta vantagem teria que ser avaliada face ao tempo de vida reduzido do catalisador e ao consequente aumento na frequência de paralisação para mudança de catalisadores. Porém, na presente invenção, a maior parte da degradação do catalisador ocorre na seção de pré-reator, onde o catalisador pode ser trocado de forma mais direta. Assim, as vantagens da operação de pressão podem ser percebidas, superando os obstáculos anteriores.
[0018] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é provido um processo para a produção de formaldeído, o processo compreendendo alimentar uma corrente de alimentação que compreende metanol em uma seção de pré-reator operada de forma adiabática, convertendo, pelo menos parcialmente, o metanol na corrente de alimentação em formaldeído na seção de pré-reator para produzir uma primeira corrente de produto compreendendo formaldeído, alimentando a primeira corrente de produto em uma seção de reator tubular resfriado e convertendo, pelo menos parcialmente, metanol na primeira corrente de produto em formaldeído na seção de reator tubular resfriada para produzir uma segunda corrente de produto compreendendo formaldeído. Opcionalmente, metanol adicional pode ser acrescentado à primeira corrente de produto, por exemplo, combinando-se a primeira corrente de produto com uma corrente adicional contendo metanol antes de alimentar a primeira corrente de produto à seção de reator tubular resfriado.
[0019] A seção de pré-reator pode ser operada de forma adiabática pelo fato de que não é prevista a remoção de calor a partir de tal seção.
[0020] Preferivelmente, uma quantidade não inferior a 10% e não superior a 100%, em algumas modalidades não superior a 95%, de metanol na corrente de alimentação é convertida em formaldeído na seção do pré-reator. Caso não seja adicionado metanol extra à primeira corrente de produto antes de ser alimentada à seção de reator tubular resfriada, preferivelmente não mais do que 40% do metanol na corrente de alimentação é convertido em formaldeído na seção de pré-reator. Tal faixa de conversão provê, vantajosamente, os benefícios de se efetuar a reação inicial em uma seção de pré-reator cujo catalisador pode ser mais facilmente trocado enquanto mantém os benefícios de remoção de calor, e a capacidade de controlar a remoção de calor face ao desgaste do catalisador, da seção de reator tubular resfriado.
[0021] Processo pode compreender a adição de metanol à primeira corrente de produto antes de alimentá-la ao reator tubular resfriado. Isso pode aumentar a produtividade de formaldeído do processo. Por exemplo, até 30% a mais de metanol pode ser alimentada ao processo através dos dois locais de alimentação do que seria possível em um sistema da técnica anterior com uma única alimentação.
[0022] Em algumas modalidades, todo o metanol pode ser adicionado à corrente de alimentação. Isto é, em tais modalidades, nenhuma quantidade de metanol é acrescentada à primeira corrente do produto. Tais modalidades podem ser particularmente vantajosas onde há o risco de contaminantes no metanol que poderiam levar ao envenenamento do catalisador. Os venenos irão, tipicamente, afetar o primeiro catalisador com o qual tiverem contato. Nos sistemas da técnica anterior, o catalisador ficava disposto em tubos e, portanto, era difícil e oneroso substituí-lo. Na presente invenção, o catalisador com a maior probabilidade de ser envenenado é o catalisador na seção de pré- reator, cuja substituição é mais direta.
[0023] Preferivelmente, a seção de reator tubular resfriada compreende uma pluralidade de tubos que contêm um primeiro catalisador para a desidrogenação oxidativa de metanol em formaldeído e o processo compreende passar a primeira corrente de produto através dos tubos para, pelo menos parcialmente, converter metanol na primeira corrente de produto em formaldeído. Preferivelmente, a seção de reator tubular resfriada compreende, ainda, um invólucro que circunda a pluralidade de tubos e o processo compreende remover o calor dos tubos usando um meio de transferência de calor, por exemplo, um fluido de transferência de calor, no invólucro. Por exemplo, o processo compreende, preferivelmente, passar um fluido de transferência de calor através do invólucro para remover o calor dos tubos. Assim, a seção de reator tubular resfriado pode ser uma seção de reator tubular que tem uma pluralidade de tubos que contêm um primeiro catalisador para a desidrogenação oxidativa de metanol em formaldeído, a seção de reator tubular compreendendo, ainda, um invólucro que circunda os tubos e contém um meio de transferência de calor, por exemplo, um fluido de transferência de calor.
[0024] Preferivelmente, a seção de pré-reator compreende um leito de catalisador e o processo compreende passar a corrente de alimentação através do leito de catalisador para, pelo menos parcialmente, converter metanol na corrente de alimentação em formaldeído. Preferivelmente, o leito de catalisador contém um segundo catalisador para a desidrogenação oxidativa de metanol em formaldeído. Preferivelmente, o leito de catalisador é um leito fixo que compreende o segundo catalisador.
[0025] Segundo catalisador pode ser o mesmo que o primeiro catalisador, ou pode ser diferente do primeiro catalisador. Ou o primeiro ou o segundo catalisadores, ou ambos, podem compreender uma mistura, ou arranjo estruturado, tais como camadas, de um ou mais catalisadores. Isso pode ser vantajoso ao prover diferentes catalisadores em diferentes partes dos reatores para otimizar o desempenho. Assim, o primeiro catalisador pode ser um catalisador único ou uma mistura de catalisadores. O segundo catalisador pode ser um catalisador único ou uma mistura de catalisadores. Preferivelmente, o primeiro e o segundo catalisadores são catalisadores de óxido misto, tais como catalisadores FeMo.
[0026] Preferivelmente, o catalisador na seção de pré-reator é trocado com muito mais frequência do que o catalisador na seção de reator tubular resfriado. Por exemplo, o catalisador na seção de pré-reator pode ser trocado de 1 a 5 vezes, preferivelmente de 2 a 5 vezes e, ainda mais preferivelmente, de 2 a 3 vezes, por mudança do catalisador na seção de reator tubular resfriado. Preferivelmente, o processo compreende operar o processo por um período de tempo e substituir o catalisador na seção de pré-reator uma vez, ou mais de uma vez, por um leito de catalisador fresco durante o período de tempo, em que o catalisador na segunda seção de reator tubular resfriado não é substituído durante o período de tempo. Preferivelmente, o processo compreende operar o processo, operar um desvio de modo que a seção de pré- reator seja isolada do processo e a corrente de alimentação seja alimentada à seção de reator tubular resfriado, substituir o catalisador na seção de pré- reator e reverter a operação de desvio de modo que a corrente de alimentação seja alimentada uma vez mais à seção de pré-reator. A seção de pré-reator é, então, removida do processo para substituir o catalisador e, então, retorna para o processo após o catalisador ser substituído. O período de tempo pode ser, por exemplo, um mês, ou três meses ou, preferivelmente, 6 meses.
[0027] Preferivelmente, o processo compreende alimentar gás residual do processo em um turbocompressor e usar a energia no gás residual para comprimir o gás de alimentação no processo via o turbocompressor. Preferivelmente, o gás de alimentação é ar fresco. A corrente de alimentação que compreende metanol é, preferivelmente, criada misturando-se metanol com o gás de alimentação comprimido após o gás de alimentação ser misturado com gás natural pobre em oxigênio reciclado que deixa o processo. Assim, o turbocompressor opera para pressurizar a corrente de alimentação que compreende metanol, uma vez que a pressurização do gás de alimentação eleva a pressão resultante da corrente de alimentação que compreende metanol. O turbocompressor também opera para introduzir oxigênio ao processo pela introdução de ar fresco. O turbocompressor é, preferivelmente, operado para controlar o nível de oxigênio e a pressão da corrente de alimentação. Preferivelmente, o gás residual é alimentado a um sistema de controle de emissões, onde as substâncias prejudiciais são removidas por combustão antes de serem passadas para o turbocompressor.
[0028] Será observado que as características descritas em relação ao aspecto da invenção podem ser igualmente aplicáveis em outro aspecto da invenção. Por exemplo, as características descritas em relação ao aparelho da invenção podem ser igualmente aplicáveis ao processo da invenção e vice- versa. Algumas características podem não ser aplicáveis a aspectos particulares da invenção e podem ser excluídas dos mesmos.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0029] As modalidades da presente invenção serão agora descritas a título de exemplo e não em um sentido limitativo, com referência aos desenhos em anexo, nos quais: A figura 1 é um diagrama esquemático de uma modalidade da presente invenção; A figura 2 é um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção; A figura 3 é um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção; A figura 4 é um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção; A figura 5 é um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção; A figura 6 é um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção; A figura 7 é um diagrama esquemático de outra modalidade da presente invenção; e A figura 8 é um diagrama esquemático de outra parte da modalidade da figura 7;
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0030] Na figura 1, um pré-vaporizador 1 é alimentado com uma corrente de alimentação 3 que compreende metanol e uma corrente de recirculação 20. A corrente de alimentação 3 e a corrente de recirculação 20 são misturadas e passam através do pré-vaporizador 1 e do vaporizador 2 que, juntos, vaporizam e aquecem a mistura. A corrente vaporizada passa para um pré-aquecedor 6 e, então, para um pré-reator 7. No pré-reator 7, pelo menos alguma quantidade de metanol é convertida em formaldeído em um leito único de catalisador adiabaticamente operado. A corrente que deixa o pré- reator passa através do pré-aquecedor 6 até um reator tubular resfriado 8. No pré-aquecedor 6 o calor é trocado entre as correntes de saída e de entrada do pré-reator 7, resfriando, assim, a saída e aquecendo a entrada. Uma válvula de desvio 9 permite o controle da temperatura da corrente que entra no pré-reator 7. Pode ser adicionado metanol extra 5 à corrente que entra no reator tubular resfriado 8. No reator tubular resfriado 8, o metanol que permanece do pré- reator 7 ou adicionado pela adição de metanol 5 é convertido em formaldeído. A corrente de produto do reator tubular 8 passa através do vaporizador 2, onde o calor da corrente de produto é usado para vaporizar e aquecer a mistura da corrente de alimentação 3 e a corrente de recirculação 20 e, então, para um absorvedor 4 para recuperar o formaldeído da corrente do produto. O gás reciclado do absorvedor é misturado com ar fresco para formar a corrente de recirculação 20. A reciclagem melhora o rendimento e reduz a concentração de oxigênio, o que reduz o risco de explosão.
[0031] Na figura 2, um pré-vaporizador 101 é alimentado com uma corrente de alimentação 103 que compreende metanol e uma corrente de recirculação 120. A corrente de alimentação 103 e a corrente de recirculação 120 são misturadas e passam através do pré-vaporizador 101 e do vaporizador 102, que, juntos, vaporizam e aquecem a mistura. A corrente vaporizada passa para um pré-aquecedor 106 e, então, para um pré-reator 107. No pré-reator 107 pelo menos alguma quantidade de metanol é convertida em formaldeído em um leito único, adiabaticamente operado, de catalisador. A corrente que deixa o pré-reator 107 passa através de um gerador de vapor 112, onde o calor da corrente é trocado por água de alimentação do boiler 111 para produzir vapor 110. Uma válvula de desvio 121 é provida através do gerador de vapor 112. A corrente passa, então, através do pré-aquecedor 106 e para o reator tubular resfriado 108. No pré-aquecedor 106 o calor é trocado entre as correntes de saída e entrada do pré-reator 107, resfriando, assim, a saída e aquecendo a entrada. Uma válvula de desvio 109 permite o controle da temperatura da corrente que entra no pré-reator 107. Metanol extra 105 pode ser acrescentado à corrente que entra no reator tubular resfriado 108. No reator tubular 108, o metanol que resta do pré-reator 107 ou é acrescentado pela adição do metanol 105 é convertido em formaldeído. A corrente do produto do reator tubular resfriado 108 passa através do vaporizador 102, onde o calor da corrente de produto é usado para vaporizar e aquecer a mistura da corrente de alimentação 103 e a corrente de recirculação 120, e então para o absorvedor 104, para recuperar o formaldeído da corrente do produto. O gás reciclado do absorvedor é misturado com ar fresco para formar a corrente de recirculação 120.
[0032] Na figura 3, um pré-vaporizador 201 é alimentado com uma corrente de alimentação 203 que compreende metanol e uma corrente de recirculação 220. A corrente de alimentação 203 e a corrente de recirculação 220 são misturadas e passam através do pré-vaporizador 201 e do vaporizador 202, que, juntos, vaporizam e aquecem a mistura. A corrente vaporizada passa para um pré-aquecedor 206 e, então, para um pré-reator 207. No pré-reator 207, pelo menos alguma quantidade de metanol é convertida em formaldeído em um leito único, adiabaticamente operado, de catalisador. A corrente que deixa o pré-reator 207 passa através do pré-aquecedor 206, onde o calor é trocado entre as correntes de saída e de entrada do pré-reator 207, esfriando, assim, a saída e aquecendo a entrada. Uma válvula de desvio 209 permite o controle de temperatura da corrente que entra no pré-reator 207. A corrente que deixa o pré-aquecedor 206 passa, então, para um gerador de vapor 215, onde o calor da corrente é trocado pela água de alimentação do boiler 213 para produzir o vapor 214. Válvulas de desvio 222 e 223 são providas através do gerador de calor 215 e através do pré-aquecedor 206 e do gerador de vapor 215. A corrente passa, então, para um reator tubular resfriado 208. Metanol extra 205 pode ser adicionado à corrente que entra no reator tubular resfriado 208. No reator tubular 208, o metanol que resta do pré-reator 207 ou é adicionado pela adição do metanol 205 é convertido em formaldeído. A corrente do produto do reator tubular resfriado 208 passa através do vaporizador 202, onde o calor da corrente de produto é usado para vaporizar e aquecer a mistura da corrente de alimentação 203 e a corrente de recirculação 220, e então para o absorvedor 204, para recuperar o formaldeído da corrente do produto. O gás reciclado do absorvedor é misturado com ar fresco para formar a corrente de recirculação 220.
[0033] Na figura 4, um pré-vaporizador 301 é alimentado com uma corrente de alimentação 303 que compreende metanol e uma corrente de recirculação 320. A corrente de alimentação 303 e a corrente de recirculação 320 são misturadas e passam através do pré-vaporizador 301 e do vaporizador 302, que, juntos, vaporizam e aquecem a mistura. A corrente vaporizada passa para um pré-reator 307. No pré-reator 307 pelo menos alguma quantidade de metanol é convertida em formaldeído em um leito único, adiabaticamente operado, de catalisador. A corrente que deixa o pré-reator 307 passa para um gerador de vapor 315, onde o calor da corrente é trocado por uma água de alimentação do boiler 313 para produzir o vapor 314. Há uma válvula de desvio 323 através do gerador de vapor 315. A corrente passa, então, para um reator tubular resfriado 308. Metanol extra 305 pode ser adicionado à corrente que entra no reator tubular resfriado 308. No reator tubular resfriado 308, o metanol que resta do pré-reator 307, ou adicionado pela adição de metanol 305 é convertido em formaldeído. A corrente do produto do reator tubular resfriado 308 passa através do vaporizador 302, onde o calor da corrente de produto é usado para vaporizar e aquecer a mistura da corrente de alimentação 303 e a corrente de recirculação 320 e, então, para um absorvedor 304 para recuperar o formaldeído da corrente do produto. O gás reciclado do absorvedor é misturado com ar fresco para formar a corrente de recirculação 320.
[0034] Na figura 5, um pré-vaporizador 401 é alimentado com uma corrente de alimentação 403 que compreende metanol e uma corrente de recirculação 420. A corrente de alimentação 403 e a corrente de recirculação 420 são misturadas e passam através do pré-vaporizador 401 e do vaporizador 402, que, juntos, vaporizam e aquecem a mistura. A corrente vaporizada passa para um pré-reator 407. No pré-reator 407 pelo menos alguma quantidade de metanol é convertida em formaldeído em um leito único, adiabaticamente operado, de catalisador. A corrente que deixa o pré-reator 407 passa através um gerador de vapor 412, onde o calor da corrente é trocado por uma água de alimentação do boiler 411 para produzir o vapor 410. A corrente passa, então, através do pré-aquecedor 402, onde o calor é trocado pela corrente de alimentação 403, e até um vaporizador e resfriador de gás 416. Há uma válvula de desvio 421 através do gerador de vapor 412 e uma válvula de desvio 424 através do pré-aquecedor 402. Metanol extra 405 pode ser adicionado à corrente no vaporizador e resfriador de gás 416 e a corrente combinada alimentada em um reator tubular resfriado 408. No reator tubular resfriado 408, o metanol que resta do pré-reator 407, ou adicionado pela adição de metanol 405 é convertido em formaldeído. A corrente do produto do reator tubular resfriado 408 passa através do vaporizador e do resfriador de gás 416, onde o calor da corrente de produto é trocado pela corrente que flui para o reator tubular resfriado 408 e, em seguida, para o absorvedor 404 para recuperar o formaldeído da corrente de produto O gás reciclado do absorvedor é misturado com ar fresco para formar a corrente de recirculação 420.
[0035] Na figura 6, um pré-vaporizador 501 é alimentado com uma corrente de alimentação 503 que compreende metanol e uma corrente de recirculação 520. A corrente de alimentação 503 e a corrente de recirculação 520 são misturadas e passam através do pré-vaporizador 501 e do vaporizador 502, que, juntos, vaporizam e aquecem a mistura. A corrente vaporizada passa para um pré-reator 507. No pré-reator 507, pelo menos alguma quantidade de metanol é convertida em formaldeído em um leito único, adiabaticamente operado, de catalisador. A corrente que deixa o pré-reator 507 passa para um reator tubular resfriado 508. Metanol extra 505 pode ser adicionado à corrente que entra no reator tubular resfriado 508. No reator tubular resfriado 508, o metanol que resta do pré-reator 507 ou adicionado pela adição de metanol 505 é convertido em formaldeído. A corrente do produto a partir do reator tubular 508 passa através do vaporizador 502, onde o calor da corrente do produto é usado para vaporizar e aquecer a mistura da corrente de alimentação 503 e a corrente de recirculação 520, e, a seguir até um absorvedor 504 para recuperar o formaldeído da corrente do produto. O gás reciclado do absorvedor é misturado com ar fresco para formar a corrente de recirculação 520. Nessa modalidade, um desvio 524 permite que o pré-reator 524 seja isolado do processo, de modo que o catalisador no pré-reator 507 possa ser mudado enquanto o processo continua a operar, com a alimentação sendo direcionada para o reator tubular resfriado 508. Tal desvio 524 também poderia ser incluída nas modalidades ilustradas nas outras figuras.
[0036] Nas figuras 7 e 8, o ar fresco 625 que entra no aparelho é alimentado no lado da compressão de um turbocompressor 626. O ar é comprimido, misturado com gás natural pobre em oxigênio reciclado 233 que deixa o absorvedor 204 e é alimentado via sopradores de recirculação 632 para a entrada do pré-vaporizador 201 como corrente de recirculação 220. O aparelho na figura 8 é o aparelho da figura 3, com partes iguais identificadas por números iguais. Será observado que o uso do aparelho da figura 3 é apenas a título de exemplo e que qualquer um dos aparelhos das figuras 1,2,3,4,5 ou 6 poderia ser usado com o aparelho da figura 7. Na figura 8 o absorvedor 204 é mostrado explicitamente, com a saída 233 do absorvedor 204 sendo alimentada de volta, no ponto B, para o aparelho da figura 7. Parte da saída 233 do absorvedor 204 é alimentada ao Sistema de Controle de Emissão (ESC) 630. O restante é reciclado e misturado com ar comprimido que sai do turbocompressor 626. No ECS uma incineração catalítica é usada para remover resíduos prejudiciais no gás. No exemplo ECS 630 mostrado, o gás é primeiramente pré-aquecido usando calor residual que permanece a jusante do turbocompressor 626 e, então, incinerado em um leito de catalisador. Porém, qualquer ECS adequado poderia ser usado e o pré- aquecimento no ECS poderia ser obtido usando-se outros meios. Os gases, agora quentes, que deixam o ECS 630, são alimentados no lado da turbina 627 do turbocompressor 626, onde proveem a energia para comprimir o ar fresco que entra, 625. A reutilização da energia permite, desse modo, que o ar fresco 625 seja pressurizado de um modo economicamente viável, de modo que as vantagens resultantes de maior rendimento não sejam eliminadas pelo custo de ser obter a pressurização. A jusante da turbina 627, o gás passa, opcionalmente, através de uma outra unidade de recuperação de energia 631 antes de passar através do pré-aquecedor do ECS 630 e ser expelido para a atmosfera 629. Conforme dito acima, a recuperação de calor a jusante da turbina pode ser efetuada de modos alternativos. Por exemplo, a unidade de recuperação de energia 631 pode ser omitida inteiramente, com toda a recuperação de energia acontecendo no pré-aquecedor do ECS 630. A provisão do turbocompressor 626 permite que pressões mais elevadas sejam obtidas sem acarretar custo excessivo. O pré-reator 207 permite que tais altas pressões sejam usadas sem aumentar excessivamente o tempo de desligamento para troca de catalisador. Combinar o turbocompressor 626 com o pré-reator 207 cria um processo de pressão elevada particularmente vantajoso.
[0037] As pessoas versadas na técnica irão observar que as modalidades acima foram descritas a título de exemplo apenas, e não em um sentido limitativo, e que várias alterações e modificações são possíveis sem que se afastem do escopo da invenção, conforme definido pelas reivindicações anexas. Por exemplo, enquanto as modalidades aqui mostradas separam os pré-reatores e os reatores tubulares resfriados, a seção de pré- reator e a seção de reator tubular resfriado poderiam ser implementadas como seções diferentes em um único receptáculo de reator. Por exemplo, a seção de pré-reator e a seção de reator tubular resfriado poderiam ser arranjadas uma acima da outra em uma coluna. Em algumas modalidades, a corrente de alimentação pode compreender metilal (dimetoximetano) em vez de metanol. Tanto o metanol quanto o metilal podem estar presentes em algumas modalidades. Em algumas modalidades, o pré-vaporizador pode não estar presente e o a vaporização e aquecimento da corrente de alimentação podem ser feitos em um vaporizador único, que também pode agir como um resfriador de gás nas modalidades descritas, ou de modo diferente.

Claims (23)

1. Aparelho para produção de formaldeído, o aparelho compreendendo uma seção de reator tubular resfriado (8, 208) tendo uma primeira entrada, uma primeira saída e uma pluralidade de tubos cada um tendo uma primeira extremidade em comunicação fluídica com a primeira entrada e uma segunda saída em comunicação fluídica com a primeira saída, a pluralidade de tubos configurada para conter, em uso, um primeiro catalisador para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica, o aparelho sendo caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma seção de pré-reator (7, 207) tendo uma entrada, e tendo uma saída em comunicação fluídica com a primeira entrada da seção de reator tubular resfriado (8, 208), a seção de pré-reator (7, 207) sendo configurada para conter, em uso, um leito de catalisador adiabático compreendendo um segundo catalisador para a produção de formaldeído por desidrogenação oxidativa catalítica, em que o aparelho compreende um turbocompressor (626) para pressurizar gás entrando no aparelho e em que o aparelho compreende um sistema de controle de emissões (630) para a combustão de gás residual a partir da produção do formaldeído e o turbocompressor (626) é conectado ao sistema de controle de emissões (630) de forma que o turbocompressor (626) pode ser energizado por energia no gás residual deixando o sistema de controle de emissões (630).
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a seção de reator tubular resfriado (8, 208) compreende adicionalmente um invólucro circundando a pluralidade de tubos e tendo pelo menos uma segunda entrada e pelo menos uma segunda saída para passar fluido de transferência de calor através do invólucro em uso.
3. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o leito de catalisador adiabático é um leito fixo de catalisador.
4. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a área de seção transversal do leito de catalisador da seção de pré-reator (7, 207) é na faixa de 50% a 150% da área de seção transversal tubular da seção de reator tubular resfriado (8, 208).
5. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um pré-reator contendo a seção de pré-reator (7, 207) e um reator tubular resfriado contendo a seção de reator tubular resfriado (8, 208).
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que inclui um trocador de calor conectado à entrada e à saída do pré-reator de forma que, em uso, o gás deixando o pré-reator é usado para aquecer o gás alimentado ao pré-reator.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente uma válvula de desvio (9) conectada entre uma admissão e uma saída do trocador de calor de forma que algum ou todo o gás deixando o pré-reator pode ser desviado de modo a desviar-se do trocador de calor.
8. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um gerador de vapor (215) conectado à saída da seção de pré-reator (7, 207) para gerar vapor e resfriar gases deixando a seção de pré-reator (7, 207).
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o gerador de vapor é conectado a uma saída do trocador de calor, de modo que uma corrente saindo do pré-reator escoa em uso para o gerador de vapor (215) por meio do trocador de calor.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o gerador de vapor (215) é conectado diretamente à saída da seção de pré-reator (7, 207).
11. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 ou 8, caracterizado pelo fato de que uma saída do gerador de vapor é conectada ao trocador de calor, de modo que uma corrente saindo do pré- reator escoa em uso para o trocador de calor por meio do gerador de vapor.
12. Aparelho de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que uma saída do gerador de vapor (215) é conectada diretamente ao reator tubular resfriado.
13. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda uma entrada de alimentação adicional conectada à primeira entrada do reator resfriado de forma que, em uso metanol pode ser adicionado entre a saída do pré-reator e a primeira entrada do reator tubular resfriado.
14. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que é provido com um trocador de calor conectado à primeira admissão e à primeira saída do reator tubular resfriado de forma que, em uso, calor pode ser trocado entre correntes fluindo para e a partir do reator tubular resfriado.
15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a entrada de alimentação adicional é uma entrada de alimentação adicional ao trocador de calor.
16. Processo para produção de formaldeído, caracterizado pelo fato de que compreende alimentar uma corrente de alimentação compreendendo metanol a uma seção de pré-reator (7, 207) operada adiabaticamente, pelo menos parcialmente convertendo metanol na corrente de alimentação em formaldeído na seção de pré-reator (7, 207) para produzir uma primeira corrente de produto compreendendo formaldeído, alimentar a primeira corrente de produto, opcionalmente com adição de metanol adicional, a uma seção de reator tubular resfriado (8, 208), e pelo menos parcialmente convertendo metanol na primeira corrente de produto em formaldeído na seção de reator tubular resfriado (8, 208) para produzir uma segunda corrente de produto compreendendo formaldeído, em que gás residual do processo é alimentado em um sistema de controle de emissões (630) para combustão do gás residual, e em que um turbocompressor (626) é conectado ao sistema de controle de emissões (630) e energia no gás residual deixando o sistema de controle de emissões (630) energiza o turbocompressor (626) para comprimir a corrente de alimentação.
17. Processo de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a seção de pré-reator (7, 207) compreende um leito de catalisador e a seção de reator tubular resfriado (8, 208) compreende tubos contendo o catalisador e o processo compreende operar o processo por um período de tempo, e substituir o leito de catalisador uma ou mais vezes com um leito de catalisador fresco durante o período de tempo, em que o catalisador nos tubos não é substituído durante o período de tempo.
18. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 17, caracterizado pelo fato de que compreende ainda operar um desvio de modo que a seção de pré-reator (7, 207) é isolada do processo e a corrente de alimentação é alimentada à seção de reator tubular resfriado (8, 208), substituir o catalisador na seção de pré-reator (7, 207), e reverter a operação do desvio de modo que a corrente de alimentação é mais uma vez alimentada à seção de pré-reator (7, 207).
19. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 18, caracterizado pelo fato de que o catalisador na seção de pré-reator (7, 207) é substituído mais frequentemente que o catalisador na seção de reator tubular resfriado (8, 208).
20. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 19, caracterizado pelo fato de que compreende ainda adicionar metanol à primeira corrente de produto antes de alimentá-la ao reator tubular resfriado.
21. Aparelho de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de ser para uso em um processo como definido em qualquer uma das reivindicações 16 a 20.
22. Uso de um aparelho como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15, caracterizado pelo fato de ser em um processo como definido em qualquer uma das reivindicações 16 a 20.
23. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 16 a 20, caracterizado pelo fato de que o processo é realizado em um aparelho como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 15.
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