BR112018075706B1

BR112018075706B1 - Processo e sistema para fragmentação termolítica de açúcares em compostos oxigenados c1-c3

Info

Publication number: BR112018075706B1
Application number: BR112018075706-3A
Authority: BR
Inventors: Morten Boberg Larsen; Christian Mârup Osmundsen; Esben Taarning
Original assignee: Haldor Tops0E A/S
Priority date: 2016-06-16
Filing date: 2017-06-15
Publication date: 2022-10-04
Also published as: US10570078B2; PL3472125T3; SG10201913081QA; EP3472125B1; ES2839510T3; AU2017285260C1; BR112018075706A2; AU2020264359A1; EP3472125A1; CN109311794B; DK3472125T3; MX2018012646A; AU2017285260B2; US20200392061A1; TWI772310B; KR102481706B1; UA124065C2; WO2017216311A1; AU2017285260A1; EP3786145A1

Abstract

A presente invenção se refere a um processo para produção em larga escala e com eficiência energética de compostos oxigenados a partir de açúcar, em que uma matéria-prima de açúcar é introduzida ao reator de fragmentação termolítica compreendendo um fluxo fluidizado de partículas transportadoras de calor. As partículas transportadoras de calor podem ser separadas do fluxo fluidizado antes do arrefecimento do produto da fragmentação, e podem ser direcionadas a um reaquecedor para reaquecer as partículas e recircular as partículas aquecidas ao reator de fragmentação.

Description

Campo da Invenção

[001] A presente invenção se refere a um processo para conversão de uma matéria-prima de açúcar em um produto oxigenado C1-C3 e um sistema adequado para realização do processo. O processo e o sistema são adequados para aplicação industrial, e o processo pode ser realizado como um processo contínuo, em larga escala.

Fundamentos da Invenção

[002] A biomassa é de particular interesse como matéria- prima devido ao seu potencial para completar e possivelmente substituir o petróleo como matéria-prima para a preparação de substâncias químicas comerciais. Nos últimos anos, várias tecnologias para aproveitamento de biomassa têm sido investigadas. Os carboidratos representam uma grande fração da biomassa, e diversas estratégias para seu uso eficiente como uma matéria-prima para a preparação de substâncias químicas comerciais estão sendo estabelecidas. Estas estratégias incluem vários processos à base de fermentação, pirólise, e diferentes processos como hidrogenólise ou hidroformulação ou desidratação catalisada com ácido.

[003] Exemplos de substâncias químicas produzidas a partir da biomassa incluem: gás natural substituto, biocombustíveis como etanol e biodiesel, materiais para escurecimento de alimentos, substâncias químicas comerciais como dióis (etileno glicol e propileno glicol), ácidos (ácido lático, ácido acrílico e ácido levulínico) e uma vasta gama de outros importantes intermediários químicos (epicloridrina, isopreno, furfural e gás de síntese).

[004] Dentro do campo da pirólise, esforços têm sido concentrados sobre o uso de matérias-primas baseadas em biomassa sólida e outros materiais celulósicos para produzir as substâncias químicas acima.

[005] Alguns esforços têm sido feitos para usar açúcares como matéria-prima para a produção de materiais de escurecimento de alimentos, que contêm uma grande quantidade de glicolaldeído (também chamado de hidroxiacetaldeído), como os principais agentes de escurecimento.

[006] O documento US 5,397,582 e a correspondente publicação WO 92/17076 (Underwood) descrevem um método para a preparação de ‘fumaça líquida’ para o escurecimento de gêneros alimentícios através da injeção de açúcar e/ou amido em dois tipos alternativos de reatores de contato gás-sólido. Um tipo de reator é o tipo ‘downer’, em que o açúcar é colocado em contato com o transportador de calor (por exemplo, areia) para produzir produtos de pirólise, e o outro é um reator de leito fluidizado do tipo fluxo ascendente. No último reator, a matéria-prima é injetada em partículas transportadoras de calor na forma de areia. Durante a fragmentação termolítica, forma-se um vapor do produto. O fluxo de vapores do produto e partículas transportadoras de calor é transferido para dois ciclones externos consecutivos e o fluxo de vapor resultante é condensado. As partículas transportadoras de calor, incluindo resíduos de carvão, são recicladas do primeiro estágio do ciclone até o fundo do reator de fragmentação. O tempo de permanência dos vapores do produto é de 0,03 a 2 segundos, a temperatura de fragmentação é de 400-1000°C, e o arrefecimento de vapores da pirólise a menos de 300°C ocorre em menos de 0,6 s. Não está claro como é fornecido o calor para reaquecimento das partículas transportadoras de calor gastas. A pirólise de amido em pó neste aparelho a 550°C fornece um líquido de pirólise, em que metade das substâncias orgânicas recuperadas era glicolaldeído.

[007] O documento US 7,094,932 (Majerski) descreve um método de produção de um ingrediente de escurecimento de alimentos através da fragmentação termolítica de uma solução aquosa de açúcar e, em particular, glicose, em um produto da pirólise com uma alta concentração de glicolaldeído. O método usa um leito fluidizado denso de partículas de areia (também referido como um leito borbulhante). A solução de glicose compreendendo 25-99% de água é introduzida ao leito do reator e reagida a uma temperatura de 500-600°C. O tempo de permanência no reator sugerido é de 0,1-5 segundos. O calor é provido por aquecimento elétrico. O produto da reação gasosa é condensado em um condensador de superfície. Os rendimentos do glicolaldeído no produto da fragmentação de líquidos condensado são de pelo menos 50% em peso da massa de açúcar alimentada ao reator. O produto da fragmentação de líquidos compreende compostos C1-C3 oxigenados, incluindo formaldeído, glicolaldeído, glioxal, piruvaldeído e acetol. O principal produto dessa reação é glicolaldeído, e a recuperação de carbono em condensado chegou a 85-89% da alimentação de açúcar. No exemplo 6 do documento US 7,094,932, o método foi dimensionado introduzindo 7,3 kg/h de uma alimentação contendo 50% de dextrose monohidratada (glicose) a um aparelho maior do mesmo tipo acima, proporcionando um rendimento de glicolaldeído de 66%. O tempo de permanência nesse sistema foi de 2-3 segundos e a temperatura foi na faixa de 530-560°C. O calor foi ainda fornecido por eletricidade.

[008] O documento WO 2014/131764 descreve um método de produção de ceteno a partir de uma solução de açúcar, submetendo-se a solução de açúcar à pirólise na presença de um material de leito fluidizado com uma área superficial de até 600 m2/g e a uma temperatura inferior a 700°C. O material de leito fluidizado é sílica e o tempo de permanência é de 50-150 ms.

[009] Underwood e Majerski propuseram sistemas para produção de um produto rico em glicolaldeído através da pirólise de açúcares em um reator usando partículas de areia como transportadores de calor e com um curto tempo de permanência, a fim de proporcionar altas taxas de conversão do açúcar em glicolaldeído. No entanto, os sistemas sugeridos não são adequados para a conversão em escala industrial de açúcares em misturas de compostos oxigenados C1-C3 ricos em glicolaldeído através da fragmentação termolítica.

[010] Reatores de leito fluidizado são usados para o processamento de uma variedade de matérias-primas. Eles podem ser operados em uma série de diferentes regimes de fluidização. O regime preferido é selecionado dependendo da matéria-prima em questão e a química desejada seja obtida, o que dá origem a um grande número de diferentes configurações de reatores para reatores de leito fluidizado.

[011] Para conversão de biomassa em biopetróleo por pirólise, foram investigadas várias configurações de reatores, tais como, por exemplo, reatores de fase densa (ou seja, leito fluidizado borbulhante) e fase diluída (ou seja, riser), bem como tipos de reatores radicalmente diferentes, como reatores de pirólise ablativa.

[012] O documento WO 2012/115754 descreve um método de pirólise onde biomassa sólida, como madeira ou outro material de origem vegetal, e um transportador de calor sólido, como areia, são misturados no fundo de um reator riser e submetidos a condições de pirólise, para fornecer um efluente de pirólise. O efluente da pirólise é conduzido para um separador em ciclone, onde é separado em (1) uma fração enriquecida com sólidos que compreende tanto carvão sólido quanto uma parcela reciclada do transportador de calor sólido e (2) uma fração esgotada em sólidos compreendendo produtos da pirólise. Os produtos da pirólise incluem óleo bruto da pirólise e outras substâncias químicas valiosas, como ácidos carboxílicos, compostos fenólicos e cetonas. A fração enriquecida com sólidos é direcionada a um reator reaquecedor compreendendo um leito fluidizado de partículas transportadoras de calor, em que o subproduto carvão sólido é queimado na presença de um gás contendo oxigênio e um meio de arrefecimento é adicionado para reduzir a temperatura no reator reaquecedor. O transportador de calor sólido reaquecido é reciclado ao reator riser de pirólise, onde as partículas transportadoras de calor, por sua vez, transferem calor para a mistura da reação de pirólise para conduzir a reação de pirólise. Os produtos vaporosos da pirólise são resfriados e recuperados.

[013] Outras aplicações de leitos fluidizados são para o craqueamento de hidrocarbonetos ou cataliticamente ou termicamente. O craqueamento catalítico pode ser realizado pelo processo de Craqueamento Catalítico Fluido (FCC), onde frações de petróleo de alta ebulição são convertidas em produtos comparativamente mais leves, como a gasolina. Exemplos de craqueamento térmico são a Coquefacção Fluida, onde frações pesadas de petróleo, ou seja, breu, são transformadas em gasóleo, ou processos de Craqueamento Térmico, onde a nafta é transformada em etileno e propileno. Estes processos de craqueamento são, em sua maioria, realizados em sistemas de leito fluidizado circulante.

[014] Um desses aparelhos adequados para craqueamento de matérias-primas do FCC leves e pesadas é descrito no documento US 5,302,280 (Lomas). O sistema descrito inclui um reator riser para craqueamento da matéria-prima usando um catalisador. Após o craqueamento, as partículas catalisadoras são separadas dos vapores e transportadas para um reator regenerador, e os vapores são arrefecidos. As partículas catalisadoras são colocadas em contato com um fluxo contendo oxigênio em um leito fluidizado denso, resultando em combustão de coque residual para fornecer calor ao catalisador e remover o coque das partículas catalisadoras.

[015] Nesse sentido, novos usos dos produtos oxigenados C1-C3 estão sendo desenvolvidos e uma crescente demanda por esses produtos é esperada. Esses produtos oxigenados, por exemplo, podem ser usados para produção de etileno glicol e propileno glicol, submetendo-se o produto oxigenado à hidrogenação (veja, por exemplo, o documento WO 2016/001169) ou para sequestro de sulfeto de hidrogênio, como descrito no documento WO 2017/064267. No entanto, muitos outros usos podem ser previstos. Dentro de nosso conhecimento, não existem sistemas nem processos que sejam, de fato, adequados para conversão termolítica em larga escala de açúcares em misturas ricas em glicolaldeído em alto rendimento.

[016] Portanto, há a necessidade de um processo melhorado e com alto rendimento para preparação de compostos oxigenados C1-C3 a partir de açúcares, adequado para produção em larga escala, bem como de sistemas para uso nesses processos.

Sumário da Invenção

[017] Os presentes inventores, tendo desejo de produzir compostos oxigenados C1-C3 a partir de fontes sustentáveis de alta pureza e com alta produtividade e eficiência, descobriram que os processos e sistemas disponíveis para realização de fragmentação termolítica (pirólise) de fontes sustentáveis têm várias desvantagens que os tornam inadequados para tal uso em escala industrial.

[018] Os inventores obtiveram agora um processo para produção de compostos oxigenados C1-C3 de elevada pureza em escala industrial. O processo envolve a realização da fragmentação termolítica de uma solução de açúcar em um reator de fragmentação, em que um leito fluidizado de partículas transportadoras de calor recebe a solução de açúcar e a transforma em um reator do tipo riser, uma grande fração das partículas é removida do fluxo de produto, seguida de arrefecimento do fluxo de produto, e as partículas removidas são transferidas para um reator reaquecedor para aquecimento e recirculação das partículas aquecidas ao reator de fragmentação. Esse processo resulta em um processo que é altamente eficiente em energia e ainda fornece um rendimento muito elevado de compostos oxigenados C1-C3. Os inventores também verificaram que, quando o açúcar é a matéria-prima, o reaquecimento das partículas transportadoras de calor exigiu o fornecimento de calor a partir de uma fonte externa, e que era vantajoso realizar o reaquecimento em um reator separado.

[019] De acordo com um aspecto da presente invenção, é previsto um processo para fragmentação termolítica de um açúcar em compostos oxigenados C1-C3, o referido processo compreendendo as etapas de: a) fornecer partículas que transportam calor e adequadas para fluidização; b) fornecer um reator de fragmentação de leito fluidizado compreendendo um riser e adequado para realização de fragmentação termolítica e adequado para fluidização de um fluxo de partículas; c) fornecer uma solução de matéria-prima compreendendo açúcar; d) introduzir as partículas ao reator de fragmentação a uma taxa suficiente para manter uma temperatura mínima de 250°C, tal como pelo menos 300, 350, 400 ou 450°C, depois que a fragmentação termolítica ocorreu; e) introduzir a matéria-prima ao fluxo fluidizado de partículas para obter a fragmentação termolítica do açúcar para produzir um produto de fragmentação denso em partículas; em seguida f) separar uma fração das partículas do produto denso da fragmentação densa de partículas para produzir um produto de fragmentação pobre em partículas g) arrefecer o produto de fragmentação pobre em partículas a pelo menos 50°C, de modo que, a partir da introdução da matéria-prima ao fluxo de fluidização contendo partículas para que o arrefecimento seja realizado, o tempo máximo de permanência do gás é de, no máximo, 5, tal como no máximo 3 segundos, tal como no máximo 2, 1, 0,8 ou 0,6 segundos; e h) recuperar o produto bruto da fragmentação; i) transferir as partículas separadas na etapa f) a um reaquecedor para aquecimento; e j) recircular as partículas aquecidas ao reator de fragmentação.

[020] Esse processo tem as vantagens de proporcionar um processo com eficiência energética para produção de um produto bruto da fragmentação com um elevado rendimento de compostos oxigenados C1-C3 e baixo teor de produtos secundários indesejados. Isso é obtido através de uma combinação das características da invenção, que inclui o uso de uma solução de açúcar como matéria-prima, alta taxa de transferência de calor, curto tempo de permanência em vapor do produto da fragmentação, primeira remoção de partículas antes do arrefecimento do vapor produto da fragmentação, arrefecimento do vapor produto da fragmentação rapidamente após a primeira separação, e reaquecimento das partículas em um reaquecedor externo. O processo garante uma alta eficiência energética e é adequado para uso na produção em larga escala de compostos oxigenados C1-C3, por exemplo, para posterior processamento em etileno glicol e propileno glicol. O processo é adequado para uma produção contínua de compostos oxigenados C1-C3.

[021] As partículas transportadoras de calor são aquecidas em um aquecedor fora do reator de fragmentação e, posteriormente, introduzidas ao reator de fragmentação, por exemplo, por contato direto com um gás quente em outro reator. As partículas são aquecidas a uma temperatura suficiente para transportar calor do aquecedor de partículas ao reator de fragmentação para acomodar uma transferência de calor para a solução de açúcar suficiente para que ocorra a fragmentação termolítica do açúcar e para obter um fluxo de produto da fragmentação que compreende uma grande fração de compostos C1-C3 oxigenados. O fluxo de partículas no leito fluidizado pode ser ajustado ao fluxo de matéria-prima, de modo a fornecer a quantidade desejada de calor à matéria- prima. As partículas de materiais com uma elevada capacidade térmica requerem uma menor vazão mássica do que as partículas de materiais com uma menor capacidade térmica. Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, as partículas da etapa a) são introduzidas ao reator de fragmentação a uma vazão mássica de pelo menos 10 kg/s, de preferência a uma vazão mássica 10-1000 kg/s.

[022] No presente contexto, o produto da fragmentação faz referência ao fluxo vaporoso resultante da fragmentação de termolítica de açúcares. O produto de fragmentação denso em partículas se refere ao produto da fragmentação antes da primeira separação de partículas e compreendendo uma carga maior de partículas, e o produto de fragmentação pobre em partículas se refere ao produto da fragmentação após a primeira separação de partículas e compreendendo menos partículas. O produto bruto da fragmentação se refere ao fluxo recuperado do reator de fragmentação, onde uma fração das partículas foi removida.

[023] As partículas são preferencialmente selecionadas do grupo que consiste em areia, sílica, vidro, alumina, aço e carboneto de silício.

[024] De preferência, o tamanho médio das partículas é de 20-400 μm, tal como de 20-300, 20-200 ou 20-100 μm.

[025] Um reator de leito fluidizado é um reator que acomoda um leito de partículas para ser fluidizado por um fluxo de gás de fluidização que é geralmente introduzido ao fundo do reator. A velocidade e as propriedades físicas do fluxo de gás de fluidização em combinação com as propriedades físicas das partículas regulam o estado de fluidização de partículas no leito. Um leito denso / leito turbulento / leito borbulhante é geralmente considerado como tendo uma velocidade superficial do fluxo de gás de fluidização dentro do reator de 0,1-2 m/s. Um leito rápido (ou um reator riser / de transporte) é geralmente considerado uma velocidade superficial de fluxo de fluidização dentro do reator de 322 m/s. O intervalo exato da velocidade é, no entanto, dependente das propriedades físicas das partículas e do gás de fluidização, e pode ser determinado experimentalmente ou calculado por um técnico no assunto.

[026] Na presente invenção, a fragmentação termolítica é realizada em um reator de leito fluidizado que opera no regime de fluidização rápida, ou seja, um reator do tipo riser. Em geral, o riser é um reator que se estende verticalmente, que é composto por uma entrada para o fluxo de fluidização na parte inferior, uma entrada de partículas e uma entrada de matéria-prima, e em que a entrada de partículas é fornecida a jusante da entrada de fluidização, e a entrada de matéria-prima é fornecida a jusante da entrada de partículas. Para efeitos da presente invenção, as partículas podem formar um leito fluidizado de fase densa na zona entre a entrada de partículas e a entrada de matéria- prima. O fluxo de fluidização e, assim, a entrada do fluxo de fluidização podem ser distribuídas. Por exemplo, a matéria-prima pode ser introduzida logo após as partículas transportadoras de calor e, assim, servir como fluxo de fluidização.

[027] A temperatura das partículas na entrada de partículas no reator de fragmentação é, de preferência, pelo menos 300°C, tal como pelo menos 400, 450, 500, 550, 600 ou 650°C.

[028] De preferência, a temperatura das partículas na entrada de partículas é na faixa de 300-800°C, tal como na faixa de 400-800 ou 450-650°C.

[029] A matéria-prima pode ser introduzida em qualquer ponto após a introdução de partículas transportadoras de calor. Quando a matéria-prima alcança as partículas transportadoras de calor, uma zona de vaporização é formada, na qual o solvente evapora e produtos gasosos começam a ser gerados a partir da fragmentação do açúcar. Isto resulta em um aumento na velocidade superficial do gás, assim arrastando as partículas transportadoras de calor. Consequentemente, a jusante da entrada de matéria-prima, as partículas transportadoras de calor e a matéria-prima formam um leito rápido acima da zona de vaporização, que pode ser referido como um riser. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a entrada de matéria-prima é fornecida na parte inferior do riser.

[030] Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o reator de fragmentação compreende um primeiro separador de partículas a jusante do riser para separar uma fração das partículas do produto de fragmentação denso em partículas. O primeiro separador de partículas pode ser referido como um limite do riser, nos casos em que ele é colocado imediatamente após o riser. Quando um primeiro separador de partículas é incluído antes do resfriamento ou arrefecimento do fluxo de produto da fragmentação, a vantagem é que um resfriamento da fração das partículas transportadoras de calor pode ser evitado durante o resfriamento do fluxo de produto da fragmentação, com o resultado de que uma perda de calor desnecessária é evitada no processo.

[031] Em uma forma de realização da presente invenção, uma grande fração das partículas transportadoras de calor é separada no primeiro separador de partículas. Assim, mais de 50% em peso, como pelo menos 60, 70, 80, 90, 95 ou até mesmo 99% em peso, das partículas transportadoras de calor são separados do produto de fragmentação denso em partículas pelo primeiro separador de partículas. O primeiro separador de partículas é preferencialmente uma mudança de direção do separador. Esse tipo de separador separa rapidamente o produto de fragmentação das partículas, permitindo que o arrefecimento seja realizado mais rapidamente e, assim, minimizando a exposição dos produtos da fragmentação ao calor, então reduzindo o grau de degradação e, também, a reação da mistura de oxigenados dentro do produto da fragmentação. O rápido aquecimento da matéria-prima e o rápido resfriamento do produto da fragmentação assim obtido são altamente vantajosos, pois o período médio de tempo em que os compostos oxigenados no produto da fragmentação são expostos ao calor e, portanto, a uma degradação térmica é muito curto, e ainda a maior parte do açúcar introduzido ao reator é exposta a calor suficiente para que a fragmentação termolítica aconteça.

[032] Por conseguinte, o tempo de permanência médio do gás proveniente da entrada de matéria-prima para o arrefecimento está dentro do intervalo de 0,01 a 5 segundos, como, por exemplo, de 0,01 a 3, de 0,1 a 1 ou de 0,3 a 0,8 segundos. O tempo de permanência médio dentro do riser necessário para que a maior parte do açúcar introduzido ao reator seja exposta a calor suficiente para que aconteça a fragmentação termolítica depende da taxa de transferência de calor entre as partículas. Essa taxa de transferência de calor depende de fatores como a temperatura das partículas na entrada, a capacidade térmica das partículas, o solvente da solução de açúcar, etc. A velocidade das partículas e o modelo do reator podem ser adaptados para fornecer calor suficiente, porém não excessivo, para a fragmentação termolítica. A taxa de aquecimento da matéria-prima que pode ser alcançada com este aparelho é muito alta e está acima de 1000°C por segundo. Uma vantagem em separar as partículas transportadoras de calor do produto de fragmentação denso em partículas antes do arrefecimento é que o calor remanescente das partículas transportadoras de calor pode ser recuperado.

[033] Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o gás produto do reator de fragmentação é esgotado das partículas antes que elas sejam transferidas ao reaquecedor. Isso pode aumentar ainda mais o rendimento do produto.

[034] Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o reator compreende um arrefecimento a jusante do primeiro separador de partículas. Uma vantagem da realização de um arrefecimento após a separação de uma fração das partículas transportadoras de calor é a menor perda de energia. Isso melhora a eficiência energética do processo. Além disso, o arrefecimento do fluxo de produto da fragmentação acontece mais rapidamente e requer a transferência de menos energia quando menos partículas transportadoras de calor estão presentes. Preferencialmente, o arrefecimento é realizado introduzindo um líquido, como água ou fluxos reciclados de processos a jusante do reator de fragmentação, ao produto de fragmentação pobre empartículas. O líquido pode ser um intermediário ou produto final recuperado a jusante da fragmentação termolítica. Isso aumenta ainda mais a eficiência energética. Alternativamente, o arrefecimento pode ser realizado através de uma troca de calor indireta ou por admissão de partículas mais frias ao produto de fragmentação pobre empartículas. De preferência, as partículas são do mesmo tipo que as partículas usadas como partículas transportadoras de calor, apenas refrigerantes. A vantagem disso é que as partículas podem entrar e fazer parte do fluxo de reciclagem das partículas. O líquido pode ser injetado ou pulverizado no produto de fragmentação pobre em partículas, tal como através de bicos dentro do reator de fragmentação.

[035] Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o produto de fragmentação pobre em partículas é arrefecido a uma temperatura inferior a 450°C, tal como abaixo de 400, 350 ou 300°C.

[036] A fragmentação termolítica do açúcar é uma reação endotérmica, principalmente devido à evaporação de matéria- prima. Portanto, as partículas transportadoras de calor irão perder algum calor durante o processo se não houver fornecimento de calor adicional. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a diferença de temperatura das partículas entre a entrada de partículas e a saída de partículas do reator de fragmentação está no intervalo de 10-600°C, tal como de 50-250°C. De acordo com outra forma de realização da presente invenção, a temperatura das partículas transportadoras de calor na saída de partículas do reator de fragmentação está no intervalo de 250-700, como de 300-600 ou 350-550°C.

[037] As partículas transportadoras de calor separadas no primeiro separador de partículas do produto de fragmentação denso em partículas são transferidas a um reaquecedor, no qual as partículas transportadoras de calor são aquecidas e posteriormente recirculadas para o reator de fragmentação. Esse aquecimento externo das partículas transportadoras de calor tem a vantagem de que a fonte de calor não afeta a reação de fragmentação termolítica. Isso permite um processo de aquecimento que envolve a combustão na presença de oxigênio em excesso para fornecer calor para conduzir a reação endotérmica sem que o oxigênio afete uma oxidação excessiva do açúcar.

[038] Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o reaquecedor compreende uma câmara de aquecimento para aquecimento das partículas transportadoras de calor e uma fonte de aquecimento. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o reaquecedor é um reator de leito fluidizado que compreende um riser.

[039] De preferência, as partículas transportadoras de calor têm uma temperatura de saída do reaquecedor no intervalo de 300-800°C, como de 400-800, 400-700 ou 500700°C.

[040] O reator de fragmentação pode compreender um segundo separador de partículas a jusante do arrefecimento. Isto é para remover quaisquer partículas transportadoras de calor residuais, a fim de obter um produto mais puro da fragmentação. A remoção do maior número possível de partículas reduz o desgaste e a perturbação dos processos a jusante. No presente contexto, “remover” significa “reduzir a quantidade de”. Além disso, as partículas transportadoras de calor separadas podem ser transferidas para o reaquecedor.

[041] Como alternativa, as partículas transportadoras de calor removidas no segundo separador de partículas, que foram expostas ao resfriamento, podem ser ainda mais resfriadas e usadas como partículas de arrefecimento no reator de fragmentação.

[042] Uma vantagem em usar as partículas transportadoras de calor para fornecer calor à fragmentação termolítica é que não há nenhuma necessidade do reator de fragmentação compreender meios de aquecimento nem internamente, nem sobre a superfície do reator. No entanto, isso não significa que o reator de fragmentação não pode incluir dispositivos de aquecimento desse tipo. O uso de partículas para fornecer o calor para a fragmentação termolítica do açúcar é vantajoso por vários motivos. Por exemplo, as partículas têm uma grande área de superfície para acomodar uma transferência de calor para grandes quantidades de açúcar. Mesmo que o processo seja dimensionado, essas vantagens ainda são aplicáveis. Na verdade, é improvável que uma transferência de calor suficiente limite a produtividade do processo de acordo com a invenção.

[043] A solução de matéria-prima da etapa c) compreende um açúcar. Em uma forma de realização da presente invenção, a solução de matéria-prima é uma solução aquosa de um açúcar. No presente contexto, “um açúcar” se refere a um carboidrato compreendendo uma ou mais unidades C6 e/ou C5 sacarídeas, principalmente na forma de mono e/ou dissacarídeo(s). Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o açúcar é selecionado do grupo que consiste em sacarose, lactose, xilose, arabinose, ribose, manose, tagatose, galactose, glicose e frutose; ou suas misturas. O açúcar também pode estar na forma de um xarope de açúcar. A fragmentação termolítica de glicose fornece um alto rendimento de glicolaldeído. Por conseguinte, açúcares compreendendo unidades de glicose são preferidos quando é desejável produzir glicolaldeído com altos rendimentos.

[044] De acordo com uma nova forma de realização da presente invenção, a solução de matéria-prima é introduzida à câmara de reação de leito fluidizado sob a forma de uma solução aquosa compreendendo no máximo 90% em peso do açúcar. De acordo com ainda outra forma de realização, a solução de matéria-prima é introduzida à câmara de reação de leito fluidizado na forma de uma solução aquosa contendo de 10% a 90% em peso de açúcar, como de 30% a 80%, ou 40% a 70% em peso de açúcar.

[045] Os compostos oxigenados C1-C3 produzidos no processo de acordo com a invenção compreendem principalmente formaldeído (C1), glicolaldeído (C2), glioxal (C2), piruvaldeído (C3) e acetol (C3). No entanto, para a maioria dos usos, os compostos oxigenados C2 e C3 são os produtos mais valiosos. O produto bruto da fragmentação recuperado do processo de acordo com a presente invenção compreende uma mistura desses compostos oxigenados C1-C3. Eles podem indiferentemente referidos como uma mistura de compostos oxigenados C1-C3, um produto oxigenado C1-C3 e compostos oxigenados C1-C3. Em uma forma de realização da presente invenção, o produto da fragmentação é rico em glicolaldeído, o que significa que pelo menos 50%, como pelo menos 60% ou 70% em peso da mistura de compostos oxigenados C1-C3 é glicolaldeído. Em outra forma de realização da presente invenção, pelo menos 50%, como pelo menos 60%, 70% ou 80% em peso da mistura de compostos oxigenados C1-C3 é glicolaldeído ou glioxal. Em ainda outra forma de realização da presente invenção, pelo menos 3%, como pelo menos 5% ou 7% em peso da mistura de compostos oxigenados C1-C3 é piruvaldeído. Em ainda outra forma de realização da presente invenção, pelo menos 3%, tal como pelo menos 5% ou 7% em peso da mistura de compostos oxigenados C1-C3 é piruvaldeído ou acetol.

[046] O processo de acordo com a presente invenção é adequado para produção em larga escala de compostos oxigenados C1-C3. Por conseguinte, ele é adequado para o processamento de quantidades de açúcar de mais de 1.000 toneladas por ano por reator, tal como mais de 5.000, 10.000, 50.000, 100.000 ou 1.000.000 toneladas por ano por reator de fragmentação, com base no peso do açúcar seco.

[047] O processo e o aparelho de acordo com a presente invenção têm a vantagem de garantir um rendimento combinado de carbono de compostos oxigenados C1-C3 acima de 60% em mol, como, por exemplo, acima de 70, 75 ou 80% em mol. Visto que os compostos oxigenados C2 e C3 são, em geral, mais valiosos do que os compostos oxigenados C1, é desejável a obtenção de altos rendimentos de compostos oxigenados C2-C3. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o rendimento combinado de carbono de compostos oxigenados C2C3 é acima de 60% em mol, como acima de 70, 75 ou 80% em mol. De acordo com outra forma de realização da presente invenção, o rendimento combinado de carbono de compostos oxigenados C2 é superior a 50% em mol, tal como acima de 60, 70, 75 ou 80% em mol. De acordo com ainda outra forma de realização da presente invenção, o rendimento de carbono do glicolaldeído é acima de 50% em mol, tal como acima de 60, 70, 75 ou 80% em mol.

[048] De acordo com um aspecto da presente invenção, o reaquecedor é um reator do tipo riser (também referido como um “riser”). Uma vantagem no uso desse tipo de reaquecedor é que grandes quantidades de partículas podem ser reaquecidas rapidamente, e que é possível separar a reação de combustão do aquecimento das partículas transportadoras de calor. As partículas transportadoras de calor são introduzidas através de uma entrada de partículas e são aquecidas dentro do reaquecedor riser. As partículas aquecidas saem do reaquecedor riser através de uma saída de partículas do reaquecedor. Preferencialmente, as partículas têm uma temperatura de saída do reaquecedor no intervalo de 400800°C, tal como de 500-700°C. As partículas transportadoras de calor aquecidas são recirculadas a partir da saída de partículas do reaquecedor para a entrada de partículas do reator de fragmentação. As partículas transportadoras de calor são transferidas da saída de partículas do reator de fragmentação para a entrada de partículas do reaquecedor através de um conduto. Em uma forma de realização da presente invenção, a saída de partículas do reator de fragmentação é superior à entrada de partículas do reaquecedor, para permitir que a gravidade auxilie no transporte das partículas. Da mesma forma, as partículas aquecidas são transferidas da saída de partículas do reaquecedor para a entrada de partículas do reator de fragmentação através de um conduto. Em uma forma de realização da presente invenção, a saída de partículas do reaquecedor é maior do que a entrada de partículas do reator de fragmentação, para permitir que a gravidade auxilie no transporte das partículas. A vantagem de usar reatores do tipo riser em ambos o reator de fragmentação e o reaquecedor é que um sistema de leito fluidizado circulante pode ser usado, em que as partículas são suspensas dentro dos risers e gravidade, então, auxilia na circulação das partículas entre os dois sistemas de riser. Esta é uma grande vantagem ao produzir misturas de compostos oxigenados C1-C3 a partir de açúcares em uma escala industrial.

[049] A fim de obter altos rendimentos de carbono, é desejável que o processo produza o mínimo possível de carvão ou coque. No entanto, ter baixos níveis de carvão e coque resulta em geração limitada de calor a partir da combustão desses produtos intermediários. No processo de acordo com a presente invenção, obtém-se baixa produção de carvão e coque. Isto requer um suprimento de calor a partir de uma fonte externa. De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o reaquecedor compreende uma entrada de ar de combustão e combustível, um queimador, uma entrada de partículas do reaquecedor, um reaquecedor riser, um separador de partículas do reaquecedor, uma saída de gás do reaquecedor e uma saída de partículas do reaquecedor. O ar de combustão pode ser, por exemplo, o ar atmosférico ou outro gás contendo oxigênio.

[050] O calor pode ser fornecido por meio de um queimador disposto dentro do reaquecedor e que queima um combustível na presença do ar de combustão. O gás de combustão do queimador pode ser levado para o fundo do riser aquecedor para mistura com as partículas transportadoras de calor para formar um fluxo de fluidização dentro do reaquecedor riser.

[051] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a combustão de ar e combustível é realizada em uma câmara de queimadores separada. O gás de combustão quente pode ser, então, colocado em contato com as partículas dentro o reaquecedor riser, pelo que as partículas capturam o calor do gás de combustão. Ter uma câmara de queimadores separada da entrada de partículas do reaquecedor tem a vantagem de que se alcança uma maior eficiência térmica e baixas emissões de hidrocarbonetos não queimados.

[052] Queimadores escalonados de ar e combustível são técnicas conhecidas para redução das emissões de NOx para um técnico no assunto. Esses queimadores também são adequados para a prática da presente invenção. Outros métodos para reduzir as emissões de NOx são, por exemplo, a recirculação de uma parte do gás de combustão de uma saída de gás do reaquecedor para dentro da região do queimador, de modo a baixar o teor de oxigênio na zona de chama, ou o escalonamento de combustível e partículas para dentro do reaquecedor riser, de modo a criar zonas onde as temperaturas e o teor de oxigênio são mais baixos e, assim, reduzir a formação de NOx.

[053] Combustíveis adequados são, por exemplo, gás natural, petróleo, carvão, gás de pirólise, gás de gaseificação, hidrogênio e monóxido de carbono contendo gases, produtos residuais e biomassa. Combustíveis gasosos têm uma vantagem de não ter um teor de cinzas e, portanto, não há risco de problemas relacionados a cinzas, como aglomeração no leito, frequentemente vista em leitos fluidizados usando, por exemplo, combustível de biomassa sólida. Em uma forma de realização da presente invenção, o gás natural é um combustível preferido. Ele é prontamente disponível e a sua combustão é ambientalmente amigável em relação a outros combustíveis. A temperatura da combustão é bastante elevada. Por isso, pode ser preferível realizar a combustão em uma câmara de combustão separada do reaquecedor riser e adaptar a alimentação do gás de combustão ao reaquecedor riser para alcançar a temperatura de saída desejada das partículas aquecidas.

[054] Em uma forma de realização de acordo com a presente invenção, o excesso de oxigênio do reaquecedor é esgotado das partículas antes que elas sejam transferidas ao reator de fragmentação. Isso pode aumentar ainda mais o rendimento e a pureza do produto, minimizando as reações secundárias dos compostos oxigenados com O2 no reator de fragmentação. A câmara de decapagem é preferencialmente disposta a jusante do separador de partículas do reaquecedor e a montante da entrada de partículas do reator de fragmentação.

[055] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o processo de fragmentação termolítica é operado como um processo contínuo. Esta é uma vantagem para a aplicação industrial.

[056] De acordo com ainda outra forma de realização da presente invenção, o processo de fragmentação termolítica é realizado em uma atmosfera inerte, por exemplo, uma atmosfera de nitrogênio ou de vapor.

[057] De acordo com um aspecto da invenção, é fornecido um processo para a preparação de um composto hidróxi C1-C3 a partir de açúcar, o processo compreendendo as etapas de: realizar um processo de fragmentação termolítica de acordo com a invenção, para formar um produto bruto da fragmentação compreendendo compostos oxigenados C1-C3; e, em seguida, submeter o produto bruto da fragmentação a uma hidrogenação para obter os correspondentes compostos hidróxi C1-C3. Os compostos hidróxi C1-C3 são, por exemplo, etileno glicol, propileno glicol e metanol.

[058] O processo de acordo com a presente invenção pode ser realizado em um reator de fragmentação que acomoda o uso de partículas transportadoras de calor em um leito fluidizado e com espaço para separação eficiente de partículas após a fragmentação termolítica e reaquecimento eficiente das partículas transportadoras de calor.

[059] Assim, é fornecido um sistema de acordo com a presente invenção, para fragmentação de uma composição de açúcar em compostos oxigenados C1-C3, cujo sistema compreende um reator de fragmentação, o referido reator compreendendo dentro dele, • um riser; • um primeiro separador de partículas; • uma entrada de fluxo de fluidização; • uma entrada de partículas; • uma entrada de matéria-prima; • uma saída de partículas; • uma saída de produto, em que o riser é disposto no interior e na parte inferior do reator de fragmentação; a entrada de fluxo de fluidização e a entrada de partículas estão dispostas na parte inferior do riser; a entrada de matéria-prima é disposta na parte inferior do riser, acima da entrada de partículas; o riser é adaptado para fluidizar as partículas no alimentador; o primeiro separador de partículas é disposto na parte superior do riser e é adaptado para separar pelo menos uma fração das partículas de um fluxo de fluidização, e em que o reator inclui ainda uma seção de resfriamento disposta a jusante do primeiro separador de partículas em relação ao fluxo de gás, a referida seção de resfriamento sendo adaptada para resfriar o fluxo de fluidização que sai do primeiro separador de partículas, e o sistema compreende ainda um reaquecedor para reaquecer as partículas que saem do reator de fragmentação, o reaquecedor compreende uma entrada de ar de combustão e combustível, um queimador, uma entrada de partículas do reaquecedor, um reaquecedor riser, um separador de partículas do reaquecedor, uma saída de gás do reaquecedor e uma saída de partículas do reaquecedor.

[060] Este aparelho tem a vantagem de acomodar um processo de acordo com a invenção, proporcionando um processo com eficiência energética para produção de um produto bruto da fragmentação com um elevado rendimento de compostos oxigenados C1-C3 e uma elevada taxa de recuperação de carbono no produto de fragmentação, o referido aparelho, assim, proporcionando um processo adequado para uma produção em larga escala de, por exemplo, etileno glicol e propileno glicol a partir de açúcares. O aparelho é adequado para uma produção contínua de compostos oxigenados C1-C3.

[061] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o sistema pode ainda incluir um segundo separador de partículas dentro do reator, o referido segundo separador de partículas sendo disposto na parte superior do reator de fragmentação e adaptado para separar uma fração adicional das partículas do fluxo de fluidização.

[062] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a seção de resfriamento é adaptada para arrefecimento por injeção de um líquido ao reator de fragmentação.

[063] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a seção de resfriamento é adaptada para arrefecimento por admissão de um fluxo de partículas mais frias ao reator de fragmentação.

[064] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, a seção de resfriamento compreende um trocador de calor indireto.

[065] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o primeiro separador de partículas é um separador de baixo volume.

[066] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o primeiro separador de partículas compreende pelo menos uma mudança de direção do separador.

[067] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o primeiro separador de partículas compreende pelo menos um tubo disposto com uma primeira extremidade na parte superior de e em ligação de fluidos com o riser, e onde a segunda extremidade do tubo está apontando para baixo e está em ligação de fluidos com e dentro do reator de fragmentação e fora do riser.

[068] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o segundo separador de partículas é pelo menos um ciclone.

[069] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o queimador e a entrada de ar de combustão e combustível são dispostos a montante do reaquecedor riser; a entrada de partículas do reaquecedor é disposta na parte inferior do referido reaquecedor riser a montante do queimador; a entrada de partículas do reaquecedor de fluido está em ligação de fluidos com a saída de partículas do reator de fragmentação; e o reaquecedor riser é adaptado para reaquecer as partículas que saem do reator de fragmentação por meio de gás aquecido no queimador.

[070] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o separador de partículas do reaquecedor é disposto a jusante do reaquecedor riser, e a saída de partículas do reaquecedor está em ligação de fluidos com a entrada de partículas do reator de fragmentação.

[071] De acordo com uma forma de realização da presente invenção, o queimador é disposto em uma câmara de queimadores. Ele pode ser separado do riser por um estreitamento. Por exemplo, a área de superfície transversal do estreitamento é pelo menos 25% menor do que a área transversal do riser acima e do que o comprimento da seção restrita é de pelo menos 0,5 metro.

Breve Descrição dos Desenhos

[072] As formas de realização da presente invenção são explicadas por meio de exemplos e com referência aos desenhos anexos. Deve ser notado que os desenhos anexos ilustram apenas exemplos de formas de realização desta invenção e, portanto, eles não devem ser considerados como limitantes de seu âmbito, pois a invenção pode admitir outras formas de realização alternativas.

[073] A figura 1 mostra uma vista lateral transversal de um reator de fragmentação de acordo com uma forma de realização da invenção.

[074] A figura 2 mostra uma vista superior do reator de fragmentação da forma de realização mostrada na figura 1.

[075] A figura 3 mostra uma vista lateral transversal de um reaquecedor de acordo com uma forma de realização da invenção.

[076] A figura 4 mostra uma vista lateral transversal de um sistema composto por um reator de fragmentação em ligação de fluidos com um reaquecedor, de acordo com uma forma de realização da invenção. Números de Referência 1. Reator de fragmentação 2. Riser de fragmentação 3. Primeiro separador de partículas 4. Segundo separador de partículas 5. Seção de resfriamento 6. Entrada de fluidização 7. Entrada de partículas 8. Entrada de matéria-prima 9. Saída de produto 10. Saída de partículas 11. Reaquecedor 12. Entrada de ar de combustão e combustível 13. Câmara de queimadores 14. Entrada de partículas do reaquecedor 15. Reaquecedor riser 16. Separador de partículas do reaquecedor 17. Saída de partículas do reaquecedor 18. Saída de gás do reaquecedor 19. Segundo separador de partículas do reaquecedor 20. Esgotamento 21. Entrada de gás de fluidização do reaquecedor 22. Entrada secundária de gás de esgotamento e fluidização do reaquecedor

Descrição Detalhada da Invenção

[077] Como ilustrado na Fig. 1 e Fig. 4, o reator de fragmentação da invenção é alongado no sentido vertical. Um riser 02 é fornecido dentro do reator de fragmentação, que é alongado com uma pequena área transversal em relação à altura. Isto facilita a possibilidade de um baixo tempo de permanência das partículas dentro do riser. Na seção inferior do riser, é provida uma entrada de gás de fluidização 06 que é adaptada para fornecer um meio de fluidização para o riser e uma entrada de partículas 07. O meio de fluidização ajuda a facilitar o movimento das partículas a partir da entrada de partículas para a entrada de matéria-prima em direção ao topo do riser. Além disso, a fluxo de fluidificação pode ser usado para pré-condicionar as partículas antes de as partículas entrarem em contato com a matéria-prima. Acima da entrada de partículas e de fluidização, a entrada de matéria- prima 08 permite o fornecimento de matéria-prima ao riser. Na forma de realização mostrada, a entrada de matéria-prima é disposta na seção inferior do riser, mas a posição pode variar de acordo com as exigências do processo.

[078] Quando a matéria-prima e as partículas interagem no riser, elas são separadas ao saírem do riser no primeiro separador de partículas 03. De acordo com uma forma de realização da invenção, o primeiro separador de partículas é adaptado para fornecer uma rápida separação de partículas do produto de fragmentação, visto que uma rápida separação é altamente vantajosa para o processo. Assim, o separador de partículas pode ser de um tipo com baixo tempo de permanência. Na forma de realização das figuras 2 e 3, o primeiro separador de partículas é composto por tubos de saída que alteram o sentido ascendente do fluxo de saída do riser em aproximadamente 180° em uma direção de fluxo descendente dentro do reator de fragmentação e para fora do riser, que, no presente contexto, é referido como uma mudança de direção do separador de partículas. Em uma forma de realização da figura 4, o primeiro separador de partículas compreende uma separação de partículas de gás que força uma saída tangencial, em relação à parede do item 1, do gás e sólidos do riser para dentro do recipiente de 1 e, assim, realiza a separação. Uma parte das partículas assenta na parte inferior do reator fragmentação depois de sair o primeiro separador de partículas. Por conseguinte, as características descritas do riser, a posição de entrada de matéria-prima e o primeiro separador de partículas com baixo tempo de permanência oferecem a possibilidade de um tempo de contato muito baixo entre as partículas e a matéria-prima, dependendo, é claro, também dos parâmetros do processo, como o volume dos fluxos e as dimensões específicas, que precisam ser adaptados às necessidades do processo.

[079] Uma seção de resfriamento 05 é disposta dentro do reator de fragmentação acima e adjacente ao primeiro separador de partículas. Na presente forma de realização, a seção de resfriamento compreende um arrefecimento, em que um meio de resfriamento, como água ou um fluxo reciclado, é injetado, o qual resfria de forma rápida e eficaz o produto por evaporação do meio de resfriamento. Outras formas de realização, como arrefecimento através da introdução de um fluxo de partículas ou trocadores de calor indiretos, também podem ser usadas na a seção de resfriamento, pelo qual pode ser diminuído o consumo total de energia do sistema do reator de fragmentação. O resfriamento rápido do produto pode ser essencial para o processo, para manter um elevado rendimento, uma vez que o produto pode ser sensível à exposição prolongada a elevadas temperaturas.

[080] Após o resfriamento do produto, ele é extraído do reator de fragmentação através da saída de produto 09. Em uma forma de realização mostrada na figura 1 e na figura 4, um segundo separador de partículas 04 adicional e opcional é fornecido no reator de fragmentação para separar uma fração adicional das partículas do fluxo de produto antes de ele ser extraído. Nesta seção do reator de fragmentação, o produto já está resfriado e, portanto, o tempo de permanência é menos importante. Um segundo separador de partículas, tal como, por exemplo, um ciclone, é provido, o referido segundo separador de partículas apresentando uma maior eficiência de separação do que a mudança de direção do separador apenas (item 03). A saída de gás do ciclone é conectada à saída de produto, enquanto as partículas da saída de partículas do ciclone são transportadas para o fundo do reator de fragmentação (01), onde elas são mantidas fluidizadas através do uso da entrada de gás de fluidificação (21). A distribuição do gás de fluidização através da seção transversal é garantida com o uso, por exemplo, de aspersores. No fundo do reator de fragmentação, uma saída de partículas 10 permite que as partículas gastas do reator de fragmentação sejam extraídas e levadas para, por exemplo, reaquecimento em outro reator.

[081] A figura 2 é uma vista superior do reator de fragmentação da forma de realização da figura 1, conforme descrito na forma de realização acima. Conforme ilustrado, o riser está localizado no centro da seção transversal horizontal do reator de fragmentação. Além disso, a pluralidade dos tubos de saída que forma o primeiro separador de partículas é mostrada, bem como o segundo separador de partículas que está localizado fora do centro do reator de fragmentação.

[082] Nas figuras 1 e 2, o separador de partículas secundárias está colocado dentro do reator de fragmentação. O separador de partículas secundário pode compreender um ou vários ciclones. Em outras formas de realização, não mostradas, estes ciclones também podem ser colocados fora do reator de fragmentação, por exemplo, acima, com diplegs que se estendem através do teto do reator de fragmentação, ou ao lado do reator de fragmentação com diplegs inclinados, ou utilizando, por exemplo, uma vedação em loop ou válvula L. Colocando os ciclones secundários fora do recipiente do reator, o tempo de permanência do produto oxigenado no reator de fragmentação pode ser diminuído. A forma de realização da figura 4 compreende ciclones externos sobre o reator de fragmentação.

[083] Nas figuras 3 e 4, é mostrado um reaquecedor 11 para reaquecimento das partículas que saem do reator de fragmentação. A entrada de partículas do reaquecedor 14 está em ligação de fluidos com a saída de partículas do reator de fragmentação 10, e a saída de partículas do reaquecedor 17 está em ligação de fluidos com a entrada de partículas do reator de fragmentação 7. O reaquecedor também compreende um leito fluidificado do tipo riser, um riser aquecedor 15, com uma câmara de queimadores 13 disposta em ligação de fluidos dispostos em conexão à parte inferior do riser. Uma entrada de ar de combustão e combustível 12 permite que combustível e ar de combustão sejam fornecidos ao queimador, que, quando em operação, fornece calor ao reaquecedor riser. A entrada de partículas do reaquecedor está disposta na parte inferior do reaquecedor riser, e permite que as partículas que saem do reator de fragmentação entrem no reaquecedor riser, onde elas são fluidizadas em um fluxo ascendente pelo gás quente provido pelo queimador durante aquecimento. A conexão entre o queimador e a entrada de partículas do reaquecedor é deliberadamente concebida para reduzir / evitar o vazamento de partículas do riser e para dentro da câmara de combustão. Este projeto pode assumir muitas formas de realização diferentes. Nas figuras 3 e 4, isto é ilustrado pelo estreitamento entre 13 e 15, levando a um aumento da velocidade do gás, evitando / reduzindo o vazamento das partículas. Após o reaquecimento, as partículas são separadas do gás de combustão e são levadas de volta para o reator de fragmentação. Na forma de realização da figura 3, o separador de partículas do reaquecedor 16 é um ciclone que permite a saída de gás do reaquecedor através da saída de gás do reaquecedor 18, enquanto as partículas separadas saem do reaquecedor através da saída de partículas do reaquecedor conectada à saída de partículas do ciclone do reaquecedor. Deve ser entendido que a extensão da separação nos separadores de partículas depende de vários parâmetros de processo, como a perda de pressão no separador, velocidades do fluxo, tamanho das partículas, como conhecido na técnica.

[084] Na forma de realização da figura 4, o primeiro separador de partículas é semelhante ao item 03 do reator de fragmentação. A forma de realização 4 também é equipada com um separador de partículas do tipo clone secundário (19). Ambos os separadores de partículas distribuem partículas ao fundo do item 11. Na posição mais baixa do item 11, está posicionada uma seção (20) para esgotamento do excesso de O2 das partículas fluidizadas. As entradas secundárias de gás de esgotamento e fluidização (22) para os itens 11 e 20 da forma de realização da figura 4 são distribuídas ao longo da seção transversal usando, por exemplo, aspersores ou outros métodos. Entradas de gás de fluidização adicionais podem estar presentes no item 11 na Fig. 4, mas não são mostradas. Também está previsto um esgotamento do produto gás imediatamente antes ou após a posição (10) na figura 4.

Exemplo Exemplo 1: Produção de uma mistura de compostos oxigenados C1-C3 rica em glicolaldeído por fragmentação termolítica de uma solução de açúcar

[085] A fragmentação de uma solução aquosa de glicose foi demonstrada em uma unidade de reator do tipo riser. A entrada de partículas foi colocada a montante da entrada de alimentação. A velocidade do gás superficial no riser foi de aproximadamente 6 m/s. O comprimento do reator riser foi de 6,2 m, com um diâmetro interno de 41 mm. Dois ciclones seguiram o riser e os sólidos separados foram admitidos em um reator externo para reaquecimento. O tempo de permanência do produto de fragmentação foi de aproximadamente 1 segundo a partir da entrada de alimentação para o primeiro separador de partículas.

[086] Para recolher o produto gasoso, parte do fluxo de gases que sai do segundo ciclone foi direcionada para um sistema de condensação. O produto líquido foi rapidamente condensado pelo resfriamento indireto a 1°C e separados dos gases permanentes. O fluxo de gases permanentes foi medido com o uso de um fluxômetro de área variável. A concentração de compostos oxigenados no produto líquido foi determinada por análise HPLC e os rendimentos calculados supondo-se que 8% da massa da alimentação foram perdidos com os gases permanentes devido à condensação incompleta da água, ou seja, usando um equilíbrio de massa de 92%. Essa hipótese é considerada conservadora, porém razoável, com base na experiência anterior.

[087] Com essa hipótese conservadora, cerca de 60% do carbono alimentado ao reator foram recuperados como glicolaldeído por fragmentação termolítica de uma solução a 45% em peso de glicose a aproximadamente 500°C. Esferas de vidro de silicato de sódio foram usadas como material do leito.

Formas de Realização

[088] Forma de Realização 1. Um processo para fragmentação termolítica de um açúcar em compostos oxigenados C1-C3, o referido processo compreendendo as etapas de: a. fornecer partículas que transportam calor e adequadas para fluidização; b. fornecer um reator de fragmentação de leito fluidizado compreendendo um riser e adequado para realização de fragmentação termolítica e adequado para fluidização de um fluxo de partículas; c. fornecer uma solução de matéria-prima compreendendo açúcar; d. introduzir as partículas ao reator de fragmentação a uma taxa suficiente para manter uma temperatura mínima de 250°C, tal como pelo menos 300, 350, 400 ou 450°C, depois que a fragmentação termolítica ocorreu, e suficiente para obter um fluxo fluidizado de partículas; e. introduzir a matéria-prima ao fluxo fluidizado de partículas para obter a fragmentação termolítica do açúcar para produzir um produto de fragmentação denso em partículas; em seguida f. separar uma fração das partículas do produto de fragmentação denso em partículas para produzir um produto de fragmentação pobre em partículas; g. arrefecer o produto de fragmentação pobre em partículas a pelo menos 50°C, de modo que, a partir da introdução da matéria-prima ao fluxo de fluidização contendo partículas para que o arrefecimento seja realizado, o tempo máximo de permanência do gás é de, no máximo, 5, tal como no máximo 3 segundos, tal como no máximo 2, 1, 0,8 ou 0,6 segundos; e h. recuperar o produto bruto da fragmentação; i. transferir as partículas separadas na etapa f) a um reaquecedor para aquecimento; e j. recircular as partículas aquecidas ao reator de fragmentação.

[089] Forma de Realização 2. O processo de acordo com a forma de realização 1, em que o produto de fragmentação pobre em partículas é submetido a uma segunda etapa de separação de partículas após a etapa g) de arrefecimento do produto de fragmentação pobre em partículas, e antes da etapa h) de recuperação do produto bruto da fragmentação.

[090] Forma de Realização 3. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1 e 2, em que o reator, na parte inferior, compreende uma entrada de partículas e uma entrada de matéria-prima, em que a entrada de matéria- prima é fornecida a jusante da entrada de partículas.

[091] Forma de Realização 4. O processo de acordo com a forma de realização 3, em que o reator, na parte inferior, compreende ainda uma entrada de fluxo de fluidificação, e a entrada de fluidização é fornecida a montante da entrada de partículas.

[092] Forma de Realização 5. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 3 e 4, em que as partículas formam um leito fluidizado de fase densa na zona entre a entrada de partículas e a entrada de matéria-prima.

[093] Forma de Realização 6. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 3-5, em que a entrada de matéria-prima é fornecida na parte inferior do riser.

[094] Forma de Realização 7. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-5, em que o reator compreende um primeiro separador de partículas a jusante do riser.

[095] Forma de Realização 8. O processo de acordo com a forma de realização 7, em que o reator compreende um arrefecimento a jusante do primeiro separador de partículas.

[096] Forma de Realização 9. O processo de acordo com a forma de realização 8, em que o reator compreende um segundo separador de partículas a jusante do arrefecimento.

[097] Forma de Realização 10. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-9, em que o reator não compreende outros meios de aquecimento além das partículas transportadoras de calor.

[098] Forma de Realização 11. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-10, em que o açúcar é um mono- e/ou dissacarídeo.

[099] Forma de Realização 12. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-11, em que a solução de matéria-prima compreende uma solução aquosa de um açúcar selecionado a partir do grupo que consiste em sacarose, lactose, xilose, arabinose, ribose, manose, tagatose, galactose, glicose e frutose; ou suas misturas. [100] Forma de Realização 13. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-12, em que a concentração de açúcar na matéria-prima está entre 10 e 90% em peso. [101] Forma de Realização 14. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-13, em que a temperatura das partículas na entrada de partículas do reator de fragmentação é, de preferência, pelo menos 300°C, como pelo menos 400, 450, 500, 550, 600 ou 650°C. [102] Forma de Realização 15. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-14, em que a temperatura das partículas na entrada de partículas é na faixa de 300-800°C, como na faixa de 400-800 ou 450-650°C. [103] Forma de Realização 16. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-15, em que as partículas são selecionadas a partir do grupo que consiste em areia, sílica, vidro, alumina, aço e carboneto de silício. [104] Forma de Realização 17. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-16, em que o tamanho de partícula médio das partículas transportadoras de calor é de 20-400 μm, tal como de 20-300, 20-200 ou 20-100 μm. [105] Forma de Realização 18. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-17, em que as partículas da etapa a) são introduzidas ao reator de fragmentação a uma vazão mássica de pelo menos 10 kg/s. [106] Forma de Realização 19. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-18, em que a velocidade dentro do riser de fragmentação acima da entrada de matéria-prima é acima de 2 m/s, tal como, por exemplo, de 3-22, ou de 5-20 m/s. [107] Forma de Realização 20. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-19, em que o reaquecedor compreende uma entrada de ar de combustão e combustível, um queimador, uma entrada de partículas do reaquecedor, um reaquecedor riser, um separador de partículas do reaquecedor, uma saída de gás do reaquecedor para gás de combustão e uma saída de partículas do reaquecedor. [108] Forma de Realização 21. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-20, em que a temperatura das partículas que saem da saída de partículas do reaquecedor é na faixa de 300-800°C, tal como na faixa de 400-800, 400-700 ou 500-700°C. [109] Forma de Realização 22. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 20 ou 21, em que o queimador é disposto dentro de uma câmara de queimadores, que é separada do reaquecedor riser, e gás de combustão da câmara de queimadores é conduzido ao reaquecedor riser. [110] Forma de Realização 23. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 20-22, em que uma parte do gás de combustão do reaquecedor após a remoção de partículas é recirculada para a câmara de queimadores. [111] Forma de Realização 24. O processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-23, em que o excesso de oxigênio é esgotado das partículas antes de elas serem transferidas do reaquecedor para o reator de fragmentação. [112] Forma de Realização 25. Um processo para a preparação de um composto C1-C3 hidróxi a partir de um açúcar, compreendendo as etapas de: realizar um processo de acordo com qualquer uma das formas de realização 1-24; e, em seguida, submeter o produto bruto da fragmentação a uma hidrogenação para obter o correspondente composto C1-C3 hidróxi. [113] Forma de Realização 26. Um sistema para fragmentação de uma composição de açúcar em compostos oxigenados C1-C3, compreendendo um reator de fragmentação, o referido reator compreendendo dentro dele, • um riser; • um primeiro separador de partículas; • uma entrada de fluxo de fluidização; • uma entrada de partículas; • uma entrada de matéria-prima; • uma saída de partículas; • uma saída de produto, em que o riser é disposto dentro e na parte inferior do reator de fragmentação; e a entrada de fluxo de fluidização e a entrada de partículas são dispostas na parte inferior do riser; a entrada de matéria-prima é disposta na parte inferior do riser; acima da entrada de partículas, o riser é adaptado para fluidizar partículas no riser; e o primeiro separador de partículas é disposto na parte superior do riser e é adaptado para separar pelo menos uma parte das partículas de um fluxo de fluidificação, e em que o reator de fragmentação inclui ainda uma seção de resfriamento disposta a jusante do primeiro separador de partículas em relação ao fluxo de gás, a referida seção de resfriamento sendo adaptada para resfriar o fluxo de fluidização que sai do primeiro separador de partículas, e o sistema compreende ainda um reaquecedor para reaquecer as partículas que saem do reator de fragmentação, o reaquecedor compreende uma entrada de ar de combustão e combustível, um queimador, uma entrada de partículas do reaquecedor, um reaquecedor riser, um separador de partículas do reaquecedor, uma saída de gás do reaquecedor e uma saída de partículas do reaquecedor. [114] Forma de Realização 27. O sistema de acordo com uma forma de realização 26, em que o reator de fragmentação compreende ainda um segundo separador de partículas dentro do reator de fragmentação, o referido segundo separador de partículas sendo disposto na parte superior do reator de fragmentação e sendo adaptado para separar uma fração adicional das partículas do fluxo de fluidização. [115] Forma de Realização 28. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26 ou 27, em que a seção de resfriamento é adaptada para arrefecimento por injeção de um líquido ao reator de fragmentação. [116] Forma de Realização 29. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26 ou 27, em que a seção de resfriamento é adaptada para arrefecimento por admissão de um fluxo de partículas mais frias ao reator de fragmentação. [117] Forma de Realização 30. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26 ou 27, em que a seção de resfriamento compreende um trocador de calor indireto. [118] Forma de Realização 31. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-30, em que o primeiro separador de partículas é um separador de baixo volume. [119] Forma de Realização 32. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-31, em que o primeiro separador de partículas compreende pelo menos uma mudança de direção do separador. [120] Forma de Realização 33. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-32, em que o primeiro separador de partículas compreende pelo menos um tubo disposto com uma primeira extremidade na parte superior de e em ligação de fluidos com o riser, e em que a segunda extremidade do tubo está apontando para baixo e em ligação de fluidos com o reator de fragmentação e fora do riser. [121] Forma de Realização 34. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 27-33, em que o primeiro separador de partículas é pelo menos um ciclone. [122] Forma de realização 35. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-34, em que o queimador e a entrada de ar de combustão e combustível do reaquecedor são dispostos a montante do reaquecedor riser, e a entrada de partículas do reaquecedor é disposta na parte inferior do reaquecedor riser a montante do queimador; a entrada de partículas do reaquecedor está em ligação de fluidos com a saída de partículas do reator de fragmentação, o reaquecedor riser sendo adaptado para reaquecer as partículas que saem do reator de fragmentação por meio de gás aquecido do queimador. [123] Forma de Realização 36. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-35, em que o separador de partículas do reaquecedor é disposto a jusante do reaquecedor riser, e a saída de partículas do reaquecedor está em ligação de fluidos com a entrada de partículas do reator de fragmentação. [124] Forma de Realização 37. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-36, em que o queimador está disposto em uma câmara de queimadores separada. [125] Forma de Realização 38. O sistema de acordo com a forma de realização 37, em que a câmara de queimadores é separada do riser por um estreitamento. [126] Forma de Realização 39. O sistema de acordo com qualquer uma das formas de realização 26-38, em que uma câmara de esgotamento é disposta a jusante do separador de partículas do reaquecedor e a montante da entrada de partículas do reator de fragmentação.

Claims

1. Processo para fragmentação termolítica de um açúcar em compostos oxigenados C1-C3 caracterizado por compreender as etapas de: a. fornecer partículas que transportam calor e adequadas para fluidização; b. fornecer um reator de fragmentação de leito fluidizado (1) compreendendo um riser (2) e adequado para conduzir fragmentação termolítica e adequado para fluidização de um fluxo de partículas; c. fornecer uma solução de matéria-prima compreendendo um açúcar; d. introduzir as partículas no reator (1) a uma taxa suficiente para manter uma temperatura de pelo menos 250°C, após a fragmentação termolítica ter ocorrido, e suficiente para obter um fluxo fluidizado de partículas; e. introduzir a matéria-prima no fluxo fluidizado de partículas para obter a fragmentação termolítica do açúcar para produzir um produto de fragmentação densa de partículas; em seguida f. separar uma fração das partículas do produto de fragmentação denso em partículas para produzir um produto de fragmentação pobre em partículas; g. arrefecer o produto de fragmentação pobre em partículas a pelo menos 50°C, de modo que desde a introdução da matéria-prima no fluxo de fluidização contendo partículas até o arrefecimento ser realizada, o tempo médio de residência do gás é de no máximo 5 segundos; h. recuperar o produto de fragmentação bruto, i. transferir as partículas separadas na etapa f) para um reaquecedor (11) para aquecimento; e j. recircular as partículas aquecidas para o reator de fragmentação (1).

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de matéria-prima (8) é fornecida na parte inferior do riser (2).

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o reator (1) compreende um primeiro separador de partículas (3) a jusante do riser (2).

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o reator (1) compreende um arrefecimento a jusante do primeiro separador de partículas (3).

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o açúcar é um mono- e/ou di-sacarídeo.

6. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a solução de matéria-prima compreende uma solução aquosa de um açúcar selecionado do grupo que consiste em sacarose, lactose, xilose, arabinose, ribose, manose, tagatose, galactose, glicose e frutose; ou suas misturas.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a concentração de açúcar na solução de matéria-prima está entre 10 e 90% em peso.

8. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a temperatura das partículas na entrada de partículas (8) do reator de fragmentação (1) é de preferência pelo menos 300°C, tal como pelo menos 400, 450, 500, 550, 600 ou 650°C.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o reaquecedor compreende uma entrada de combustível e ar de combustão (12), um queimador, uma entrada de partículas do reaquecedor (14), um riser do reaquecedor (15), um separador de partículas do reaquecedor (16), uma saída de gás do reaquecedor (18) para gás de combustão e uma saída de partículas do reaquecedor (17).

10. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que a temperatura das partículas que saem da saída de partículas do reaquecedor (17) está na faixa de 300-800°C, tal como na faixa de 400-800, 400-700 ou 500-700°C.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que o queimador está disposto dentro de uma câmara do queimador (13), que é separada do riser do reaquecedor (15), e o gás de combustão da câmara do queimador (13) é conduzido para o riser do reaquecedor (15).

12. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que o excesso de oxigênio é retirado das partículas antes de serem transferidas do reaquecedor para o reator de fragmentação (1).

13. Processo para a preparação de um composto hidroxi C1-C3 a partir de um açúcar caracterizado por compreender as etapas de: realização de um processo conforme definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12; e em seguida submeter o produto de fragmentação em bruto a uma hidrogenação para obter o composto hidroxi C1-C3 correspondente.

14. Sistema para fragmentação de uma composição de açúcar em compostos C1-C3 oxigenados compreendendo um reator de fragmentação (1), o referido reator caracterizado por compreender dentro do reator, • um riser (2) • um primeiro separador de partículas (3) • uma entrada de fluxo de fluidização (6) • uma entrada de partículas (7) • uma entrada de matéria-prima (8) • uma saída de partículas (10) • uma saída de produto (9), em que o riser (2) está disposto dentro e na parte inferior do reator de fragmentação (1); e a entrada de fluxo de fluidização (6) e a entrada de partículas (7) estão dispostas na parte inferior do riser (2); a entrada de matéria-prima (8) é disposta na parte inferior do riser (2) acima da entrada de partículas; o riser é adaptado para fluidizar partículas no riser (2); e o primeiro separador de partículas (3) está disposto na parte superior do riser (2) e está adaptado para separar pelo menos uma parte das partículas de fluxo de fluidização, e em que o reator de fragmentação (1) compreende ainda uma seção de resfriamento (5) disposta a jusante do primeiro separador de partículas (3) em relação à corrente de gás, a referida seção de resfriamento (5) sendo adaptada para resfriar a corrente de fluidização que sai do primeiro separador de partículas (3) e o sistema compreende ainda um reaquecedor (11) para reaquecer as partículas que saem do reator de fragmentação (1), o reaquecedor (11) compreende uma entrada de combustível e ar de combustão (12), um queimador, uma entrada de partículas de reaquecedor (14), um riser de reaquecedor (15), um separador de partículas de reaquecedor (16), uma saída de gás de reaquecedor (17) e uma saída de partículas de reaquecedor (18).

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a seção de resfriamento (5) é adaptada para arrefecimento por meio da injeção de um líquido no reator de fragmentação (1).

16. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que o primeiro separador de partículas (3) é um separador de baixo volume.

17. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado pelo fato de que o primeiro separador de partículas (3) compreende pelo menos um separador de mudança de direção.

18. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado pelo fato de que o queimador e a entrada de ar de combustão e combustível do reaquecedor (12) estão dispostos a montante do riser do reaquecedor (15) e a entrada de partículas do reaquecedor (14) está disposta na parte inferior parte do riser de reaquecedor (15) a jusante do queimador e a entrada de partícula de reaquecedor (14) está em conexão fluida com a saída de partícula do reator de fragmentação (17), o riser de reaquecedor (15) sendo adaptado para reaquecer as partículas que saem do reator de fragmentação (1) por meio de gás de combustão do queimador.

19. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizado pelo fato de que o separador de partículas do reaquecedor (16) está disposto a jusante do riser do reaquecedor (15) e a saída de partículas do reaquecedor (17) está em conexão fluida com a entrada de partículas do reator de fragmentação (7).

20. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 19, caracterizado pelo fato de que o queimador está disposto em uma câmara de queimador separada (13).

21. Sistema, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que a câmara do queimador (13) é separada do riser (2) por um estreitamento.

22. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 21, caracterizado pelo fato de que uma câmara de separação é disposta a jusante do separador de partículas de reaquecedor (16) e a montante da entrada de partículas do reator de fragmentação (14).