BR112019000893B1 - Processo e aparelho para remover sulfeto de hidrogênio de um gás - Google Patents

Abstract

Trata-se de um processo e aparelho para remover sulfeto de hidrogênio de um gás. O processo compreende as etapas de: fornecer um gás que compreende sulfeto de hidrogênio; suprir oxigênio para o processo caso o gás não compreenda oxigênio, ou não compreenda oxigênio suficiente para converter sulfeto de hidrogênio em enxofre elementar; conduzir a mistura de gás e, caso suprido, o oxigênio a um tanque que compreende i) um líquido formador de espuma, tal como um líquido purificador, e ii) uma camada de espuma produzida a partir do dito líquido formador de espuma no topo do líquido formador de espuma em que o sulfeto de hidrogênio no gás é oxidado em enxofre elementar para formar um gás limpo em que sulfeto de hidrogênio foi removido.

Description

CAMPO DA TÉCNICA DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um processo para remover sulfeto de hidrogênio de um gás, em particular, biogás, mas também gás de aterro, gás natural e gás proveniente de poços de óleo e gás, tipicamente antes da combustão, a fim de reduzir a corrosão de equipamentos e reduzir a emissão de compostos nocivos a serem conduzidos ao meio ambiente. Mas também à remoção de sulfeto de hidrogênio do ar para reduzir a emissão de dióxido de enxofre e outros componentes de enxofre para atender as regulações para licença de qualidade do ar, etc. Em particular, a presente invenção se refere à remoção de sulfeto de hidrogênio de um gás, sendo que o gás é tratado com o uso de uma camada de espuma formada a partir de um líquido espumante, sendo que dito líquido formador de espuma pode ser um líquido purificador com um agente espumante de ocorrência natural ou um líquido com um agente espumante adicionado.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Em todo o mundo, há um foco crescente na proteção do ambiente e na exploração de fontes de energia renováveis. Em muitos países, é agora obrigatório que correntes de resíduos industriais e agrícolas sejam tratadas antes da descarga. O método mais econômico para degradar a matéria orgânica nas correntes de resíduos é um processo biológico em um ambiente livre de oxigênio chamado digestão anaeróbica. O tratamento ocorre em grandes tanques ou lagoas cobertas, os digestores anaeróbicos.

[003] O material orgânico tratado nos digestores anaeróbicos é chamado substrato e pode derivar a partir de várias fontes diferentes, incluindo esterco de animais, tais como porcos, gado e frango, usinas de processamento de alimento, cervejarias, engenhos de óleo de palma, fábricas de amido, usinas de etanol, engenhos de papel, usinas de tratamento de esgoto municipal, etc. O tratamento anaeróbico remove muitos dos componentes nocivos presentes nos resíduos, de modo que, após o tratamento, a água e a biomassa tratadas possam ser descarregadas e/ou usadas beneficamente para fertilização e irrigação.

[004] A partir do processo de digestão anaeróbica, um subproduto conhecido como “biogás” é criado. Tipicamente, o biogás contém 50 a 70% de metano (CH4), 30 a 50% dióxido de carbono (CO2) e tipicamente de 0,1% até 5,0% de sulfeto de hidrogênio (H2S). A quantidade de sulfeto de hidrogênio em um biogás depende de vários parâmetros, tais como a composição das correntes de resíduos orgânicos, os processos de produção, bem como o projeto e a operação do digestor anaeróbico. O biogás pode ser um recurso significativo como um substituto renovável para óleo e gás. Entretanto, antes de o biogás poder ser usado em caldeiras ou motores, o sulfeto de hidrogênio deve ser removido do gás, visto que sulfeto de hidrogênio é muito corrosivo para a maioria dos equipamentos, tais como pipelines, compressores, tanques de armazenamento de gás, caldeiras, motores, etc., e atua como um forte veneno para células de combustível e catalisadores de reformador. Além disso, sulfeto de hidrogênio é tóxico para seres humanos mesmo em baixas concentrações. Durante a combustão, sulfeto de hidrogênio formará dióxido de enxofre (SO2) e ácido sulfúrico (H2SO4) que são muito corrosivos em equipamentos a jusante e também têm efeitos nocivos ao meio ambiente. Dessa forma, devido aos graves problemas que o sulfeto de hidrogênio pode provocar, em muitos projetos é necessário remover o sulfeto de hidrogênio de um gás combustível antes da utilização.

[005] Conhece-se diversos métodos para remover sulfeto de hidrogênio de uma corrente de gás, por exemplo, por adsorção, purificação com água, por separação por membrana, em biofiltros ou filtros biológicos percoladores. A atenção aos métodos biotecnológicos aumentou visto que os métodos experimentaram um desenvolvimento significativo e têm a mesma eficácia ou eficácia superior aos métodos físico-químicos e uma vez que seus custos de operação são menores. Os métodos biotecnológicos incluem biofiltros e filtros biológicos percoladores.

[006] Em biofiltros e filtros biológicos percoladores, o sulfeto de hidrogênio é removido forçando-se um biogás através de um leito recheado úmido que contém microorganismos. Os micro-organismos se desenvolvem na superfície do leito recheado formando um biofilme. O sulfeto de hidrogênio no biogás é transferido da fase gasosa para a fase aquosa e para o biofilme, em que o sulfeto de hidrogênio é usado como uma fonte de energia pelos micro-organismos e oxidado em enxofre e/ou sulfato.

[007] A principal diferença entre biofiltros e filtros biológicos percoladores é o material carreador, que é orgânico em biofiltros e inerte em filtros biológicos percoladores. Portanto, visto que nutrientes não estão disponíveis no material carreador dos filtros biológicos percoladores, os mesmos são supridos aos micro-organismos recirculando-se uma fase líquida para o reator. Esse líquido também fornece umidade de modo que os micro-organismos possam se desenvolver e multiplicar.

[008] Um dos principais problemas encontrados tanto em biofiltros quanto em filtros biológicos percoladores é a acidificação dos meios usados. Em biofiltros, a acidificação dos meios se deve à formação de ácido sulfúrico pela degradação de sulfeto de hidrogênio. Para impedir uma queda de pH no meio, solventes alcalinos frequentemente são adicionados, ou uma base carreadora que tem propriedades alcalinas é usada ou o meio filtrante é frequentemente lavado com água. Com os filtros biológicos percoladores, o sulfeto de hidrogênio é degradado principalmente em sulfato, que forma ácido sulfúrico, e o pH é diminuído. Em filtros biológicos percoladores, o sulfato é continuamente lavado enquanto o enxofre elementar permanece no interior do reator e, eventualmente, provocará obstrução se não for eliminado regularmente.

[009] Em filtros biológicos percoladores e biofiltros, além de sulfato, enxofre elementar também é criado como um produto de conversão do sulfeto de hidrogênio. O enxofre acumula-se no biofilme do reator, e o leito recheado precisa ser periodicamente limpo quanto a enxofre. Em alguns sistemas, a limpeza pode ser feita enxaguando-se ou lavando- se o leito recheado. Em outros sistemas, o leito recheado tem que ser colocado fora do reator para a limpeza. A limpeza quanto a enxofre elementar pode ser realizada tipicamente 2 a 12 vezes por reator por ano, sendo que o reator deve ser desligado por 1 a 3 dias. Dessa forma, o acúmulo de enxofre no interior dos reatores provoca um tempo de inatividade significativo.

[010] Portanto, há uma necessidade de um método melhorado para remover eficazmente sulfeto de hidrogênio de um gás, o que evita os problemas de acidificação e a necessidade de remover enxofre elementar dos filtros.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[011] Dessa forma, um objetivo da presente invenção refere-se a um processo para remover sulfeto de hidrogênio de um gás, tal como um biogás ou ar. No caso em que o gás é biogás, o método é tipicamente aplicado antes da combustão do gás a fim de reduzir a corrosão em equipamentos a jusante. No caso em que o gás é ar, o sulfeto de hidrogênio é tipicamente removido antes da descarga do ar na atmosfera a fim de reduzir o impacto ambiental.

[012] Em particular, um objetivo da presente invenção é fornecer um processo para remover sulfeto de hidrogênio de um gás que tenha uma eficácia melhorada na remoção de sulfeto de hidrogênio e não envolva acidificação nem acúmulo de enxofre elementar em um leito recheado.

[013] É um objetivo adicional da presente invenção fornecer uma alternativa à técnica anterior.

[014] Dessa forma, um aspecto da invenção refere-se a um processo para remover sulfeto de hidrogênio de um gás que compreende as etapas de:

[015] • fornecer um gás que compreende sulfeto de hidrogênio

[016] • suprir oxigênio ao processo caso o gás não compreenda oxigênio, ou não compreenda oxigênio suficiente para converter sulfeto de hidrogênio em enxofre

[017] • conduzir o gás que compreende sulfeto de hidrogênio e, caso suprido, o oxigênio a um tanque (13) que compreende

[018] i) uma camada líquida (6) que compreende um líquido formador de espuma e

[019] ii) uma camada de espuma (7) produzida a partir do dito líquido formador de espuma,

[020] em que a dita camada de espuma (7) é formada no topo do líquido formador de espuma (6), e a dita camada de espuma tem pelo menos 0,5 metro de altura, de modo que o dito gás que compreende sulfeto de hidrogênio seja conduzido através da dita camada de espuma e o sulfeto de hidrogênio no gás seja convertido em produtos de conversão de sulfeto de hidrogênio, e

[021] • conduzir o gás limpo para a saída (14) e os produtos de conversão do sulfeto de hidrogênio para a saída (5).

[022] O líquido formador de espuma pode, em uma modalidade da invenção, ser um líquido purificador, e o líquido formador de espuma e/ou líquido purificador podem opcionalmente compreender micro-organismos de degradação de enxofre. Isso significa que, caso o líquido formador de espuma ou o líquido purificador contenha micro-organismos, a espuma produzida a partir do líquido formador de espuma também pode compreender esses micro-organismos. Consequentemente, caso os micro-organismos estejam presentes, os mesmos podem pelo menos auxiliar na degradação do sulfeto de hidrogênio no gás para formar um gás limpo em que o sulfeto de hidrogênio foi removido.

[023] Um outro aspecto da presente invenção se refere a um aparelho para remover sulfeto de hidrogênio de um gás que compreende:

[024] - um tanque (13) configurado para compreender uma camada líquida (6) que compreende um líquido formador de espuma e uma camada de espuma (7) acima da camada líquida (6), sendo que a dita camada de espuma é formada a partir do líquido formador de espuma na camada líquida (6);

[025] - uma entrada (1) para suprir o gás que compreende sulfeto de hidrogênio para o tanque (13);

[026] - um ou mais dispositivos formadores de espuma (3, 11, 15) para produzir uma camada de espuma (7) a partir do líquido formador de espuma;

[027] - uma saída (5) para drenar o líquido formador de espuma e produtos de conversão do sulfeto de hidrogênio, tal como enxofre elementar, dispersos no líquido;

[028] - uma entrada (4) para adicionar líquido formador de espuma;

[029] - uma saída (14) para escoar gás limpo.

[030] Antes de discutir a presente invenção em mais detalhes, os termos e convenções a seguir serão primeiramente definidos:

[031] Líquido formador de espuma é tipicamente usado para fazer referência ao líquido que tem propriedades que permitem que o mesmo forme uma espuma. O líquido formador de espuma pode tipicamente incluir um agente espumante que facilita a formação de espuma. O agente espumante pode, por exemplo, ser um tensoativo e/ou um material biológico.

[032] Em determinadas modalidades preferenciais, o líquido formador de espuma é um líquido purificador. O líquido purificador pode, por exemplo, ser água efluente de um digestor de biogás ou uma usina de tratamento de água residual. O líquido purificador é caracterizado por compreender vários nutrientes, tais como, por exemplo, proteínas, minerais e sais.

[033] Espuma e bolha: Uma espuma é tipicamente considerada uma substância que é formada por bolsos de gás aprisionados em um líquido. Cada um dos bolsos de gás aprisionados é tipicamente considerado uma bolha. A espuma pode ser uma espuma de células fechadas, em que o gás forma bolsos discretos, cada um completamente circundado pelo líquido formador de espuma, ou pode ser uma espuma de células abertas, em que os bolsos de gás se conectam entre si, ou uma combinação de ambas.

[034] A menos que definido de outro modo, todos os termos técnicos e científicos usados no presente documento têm o mesmo significado que o comumente compreendido pelo versado na técnica.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[035] A presente invenção e, em particular, as modalidades preferenciais da mesma serão agora descritas em mais detalhes em referência à Figura anexa. As Figuras mostram um modo de implantar a presente invenção e não devem ser interpretadas como limitadoras de outras possíveis modalidades que são abrangidas pelo escopo do conjunto de reivindicações anexo.

[036] A Figura 1 é uma ilustração esquemática de um aparelho para remover sulfeto de hidrogênio de um gás de acordo com uma primeira modalidade da invenção;

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[037] A seguir é feita referência à Figura 1 com o uso, entre outros, dos numerais de referência apresentados nessa Figura.

[038] Em um processo de acordo com a presente invenção:

[039] A presente invenção se refere, em um aspecto, a um processo para remover sulfeto de hidrogênio de um gás que compreende as etapas de:

[040] • fornecer um gás que compreende sulfeto de hidrogênio

[041] • suprir oxigênio ao processo caso o gás não compreenda oxigênio, ou não compreenda oxigênio suficiente para converter sulfeto de hidrogênio em enxofre elementar;

[042] • conduzir o gás que compreende sulfeto de hidrogênio e, caso suprido, o oxigênio a um tanque (13) que compreende

[043] i) uma camada líquida (6) que compreende um líquido formador de espuma e

[044] ii) uma camada de espuma (7) produzida a partir do dito líquido formador de espuma,

[045] em que a dita camada de espuma (7) é formada no topo do líquido formador de espuma (6), e a dita camada de espuma tem pelo menos 0,5 metro de altura, de modo que o dito gás que compreende sulfeto de hidrogênio seja conduzido através da dita camada de espuma e o sulfeto de hidrogênio no gás seja convertido em produtos de conversão de sulfeto de hidrogênio, e

[046] • conduzir o gás limpo para a saída (14) e os produtos de conversão do sulfeto de hidrogênio para a saída (5).

[047] O gás que compreende sulfeto de hidrogênio pode ser qualquer gás que compreenda sulfeto de hidrogênio e que se pretenda que o sulfeto de hidrogênio seja eliminado. Entretanto, em uma modalidade da invenção, o gás é selecionado dentre um biogás, gás de aterro, gás natural ou gás proveniente de poços de óleo e gás ou ar. Em uma modalidade preferencial da invenção, o gás é um biogás produzido a partir de um digestor anaeróbico. O biogás pode, além do sulfeto de hidrogênio, compreender metano e dióxido de carbono, e a quantidade de sulfeto de hidrogênio no biogás é tipicamente a quantidade de 0,1 até 5%. Em uma outra modalidade, o gás é ar que se pretende que o sulfeto de hidrogênio seja eliminado.

[048] Em algumas modalidades, o gás limpo deixa o tanque em combinação com bolhas (espuma) na saída (14) da camada de espuma (7). Tais bolhas (espuma) e/ou o líquido a partir do qual as bolhas são formadas podem ser contaminantes indesejáveis no gás limpo. O gás limpo pode, portanto, ser separado da espuma antes de ser conduzido para a saída (12).

[049] No contexto da presente invenção, o termo “gás limpo” significa um gás em que sulfeto de hidrogênio é reduzido a uma quantidade abaixo de 1.000 ppm, de preferência, abaixo de 500 ppm, com mais preferência, abaixo de 250 ppm, tal como de 10 a 200 ppm.

[050] No processo de acordo com a presente invenção, sulfeto de hidrogênio é convertido em produtos de conversão de sulfeto de hidrogênio por uma oxidação química. O enxofre elementar é um produto de conversão.

[051] Visto que a conversão química de sulfeto de hidrogênio em enxofre elementar é uma conversão que consome oxigênio, é necessário oxigênio suficiente para a conversão no interior do tanque. Portanto, caso o teor de oxigênio no gás a ser tratado seja baixo, oxigênio adicional deve ser adicionado ao tanque. O oxigênio pode ser adicionado diretamente ao gás antes de o gás ser conduzido ao tanque, de modo que uma mistura de gás e oxigênio seja conduzida ao tanque. Alternativamente, o gás e o oxigênio podem ser introduzidos no tanque separadamente. Em uma modalidade preferencial da presente invenção, o oxigênio é injetado diretamente no gás, e a mistura de gás e oxigênio é subsequentemente introduzida no tanque.

[052] O oxigênio adicionado ao gás é selecionado dentre o grupo que consiste em gases que têm de 21 a 100% de oxigênio, por exemplo, ar que tem um teor de oxigênio de 21% e oxigênio puro que contém 100% de oxigênio. Entretanto, outros gases que têm um teor de oxigênio mais alto que o ar poderiam ser usados, tais como gases que têm pelo menos 21% de oxigênio, de preferência, pelo menos 50% de oxigênio e, com mais preferência, pelo menos 80% de oxigênio. Em uma modalidade, o oxigênio adicionado é oxigênio puro e em uma outra modalidade, o oxigênio adicionado está na forma de ar.

[053] A quantidade de oxigênio adicionado dependerá do nível de sulfeto de hidrogênio no gás a ser tratado.

[054] Em uma modalidade da invenção, a injeção de oxigênio é controlada. Isso pode ocorrer, por exemplo, usando-se um soprador de ar regulado por frequência e ajustando-se a injeção de ar à carga real de sulfeto de hidrogênio de modo que apenas o oxigênio necessário para o processo seja injetado. O oxigênio no ar é usado para oxidação de sulfeto de hidrogênio em enxofre elementar. A injeção de oxigênio é controlada para assegurar que nenhuma mistura explosiva seja criada entre oxigênio e metano ou outros gases combustíveis.

[055] O oxigênio é usado no processo para oxidar sulfeto de hidrogênio em enxofre, e a quantidade de oxigênio suprida ao processo deve ser suficiente para cobrir a seguir reação geral com sulfeto de hidrogênio: H2S (gás) + ^ O2 (gás) -> S (sólido) + H2O (líquido). Tipicamente, haverá uma quantidade de oxigênio no gás após o sulfeto de hidrogênio ter sido removido.

[056] Portanto, a quantidade de oxigênio pode, por exemplo, ser de pelo menos 1 mol de oxigênio para cada 2 mol de sulfeto de hidrogênio. Entretanto, prefere-se o uso de um excesso de oxigênio no processo, tal como, por exemplo, um excesso de 0,1 a 5,0% de oxigênio, de preferência, um excesso de 0,2 a 1,0% de oxigênio.

[057] A conversão de sulfeto de hidrogênio em enxofre elementar de acordo com a presente invenção é uma reação química, isto é, uma oxidação química.

[058] Em um filtro biológico percolador em que o sulfeto de hidrogênio é oxidado por micro-organismos principalmente em sulfato, a reação geral é da seguinte forma: H2S (gás) + 2O2 (gás) -> H2SO4 (líquido). Isso significa que as exigências de oxigênio no processo, de acordo com a presente invenção, são de apenas 25% em comparação a um filtro biológico percolador. Isso resulta em uma menor diluição do valor de aquecimento do gás de combustão e pode tornar viável o uso da invenção para sistemas de aprimoramento a montante para remoção de H2S para produção de biometano.

[059] A temperatura no tanque durante a oxidação do sulfeto de hidrogênio é, de preferência, mantida o mais baixo possível para obter uma maior solubilidade dos gases, entretanto, a temperatura deve ser suficientemente alta para evitar o congelamento. A temperatura no tanque, isto é, do líquido na camada líquida e da espuma na camada de espuma, deve, de preferência, ser de pelo menos 5 °C, tal como de 5 a 60 °C, de preferência, 25 a 55 °C. Em países de clima tropical, não há necessidade de isolamento dos tanques. Entretanto, em climas moderados e mais frios, os tanques podem ser isolados. O líquido no tanque pode ser aquecido a partir do aumento na temperatura de gás gerada a partir da compressão do gás e/ou por meio de um trocador de calor. O aquecimento por meio de um trocador de calor é tipicamente fornecido como uma água quente de revestimento de motor proveniente do resfriamento do motor.

[060] O sulfeto de hidrogênio no gás é transferido da fase gasosa para a fase aquosa no líquido formador de espuma na camada líquida e/ou na umidade na camada de espuma e posteriormente oxidado em enxofre elementar (S). O enxofre elementar será disperso e flutuará no líquido, devido à agitação contínua do líquido proveniente do fluxo de gás e dos dispositivos formadores de espuma, e será descarregado drenando-se o líquido formador de espuma através da segunda saída (5).

[061] Em algumas modalidades, o enxofre elementar pode ser removido do efluente do tanque (13) por sedimentação simples ou em tanques de sedimentação ou por meio de, por exemplo, hidrociclones ou centrífugas localizadas a jusante da saída (5). Por meio disso, deixa-se o efluente quase livre de enxofre, e o enxofre elementar produzido por ser usado para outros processes ou produtos. A oxidação em sulfato ocorrerá apenas em pequenas quantidades e, portanto, o pH do líquido formador de espuma, tal como o líquido purificador, é mantido no nível de entrada, tipicamente a pH 7 a 8. A remoção de enxofre elementar do efluente ocorrerá fora do tanque.

[062] Isso é o inverso do que ocorrer em um filtro biológico percolador, em que a maior parte do enxofre será, ainda, convertida em sulfato (SO4) que reage com água e forma ácido sulfúrico (H2SO4). O ácido sulfúrico formado em filtros biológicos percoladores fará com que pH do líquido diminua para um pH abaixo de 4. Caso água residual tratada seja usada como líquido, o pH será tipicamente de 3 a 4, e caso água com nutrientes adicionados seja usada, o pH pode cair para abaixo de 1,0. O sulfato produzido em um filtro biológico percolador é descarregado com o líquido proveniente do tanque enquanto o enxofre elementar aderirá ao leito recheado e conduzirá à obstrução se não for eliminado com frequência.

[063] Um recurso-chave da presente invenção é a camada de espuma (7) produzida a partir do líquido formador de espuma, tal como um líquido purificador. A camada de espuma pode ser produzida por um dispositivo formador de espuma, tal como uma pistola de espuma (também denominado bocal de espuma, bocal aspersor de espuma ou tubulação de espuma), que produz espuma introduzindo-se gás no líquido formador de espuma sob alta pressão e velocidade. Alternativamente ou em combinação, a camada de espuma pode ser produzida com o uso de um impulsor no líquido formador de espuma. A camada de espuma (7) é formada como uma manta de espuma no topo da camada líquida (6) e é controlada para ser “pesada” com pequenas bolhas.

[064] Em uma modalidade preferencial da invenção, a camada de espuma (7) tem pelo menos 0,5 metro, tal como pelo menos 1 metro, de preferência, pelo menos 1,5 metro, com ainda mais preferência, pelo menos 2 metros. A camada de espuma (7) pode, por exemplo, ter de 0,5 a 12 metros, tal como de 0,75 a 11 metros, de preferência, de 1,0 a 10 metros, com mais preferência, de 2,0 a 8 metros.

[065] Em uma modalidade preferencial da invenção, a camada líquida tem pelo menos 0,3 m e até 5 m, com mais preferência, pelo menos 0,5 m e até 3 m. Em uma modalidade, a camada líquida tem 3 metros ou menos, tal como 2,5 metros ou menos, de preferência, 2,0 metros ou menos, com ainda mais preferência, 1,5 metro ou menos, com a máxima, 1,0 metro ou menos.

[066] A camada de espuma da presente invenção é importante, visto que os inventores da presente invenção surpreendentemente constataram que a conversão de sulfeto de hidrogênio em um gás em enxofre elementar é aumentada quando o gás está disperso em uma camada de espuma em vez de em uma camada líquida. Sem se ater à teoria, os presentes inventores constataram que a conversão de sulfeto de hidrogênio é altamente intensificada pela presença de uma grande superfície do líquido formador de espuma fornecida pelas paredes da espuma.

[067] Normalmente, a espuma é evitada em um digestor de biogás, e agentes antiespuma são normalmente usados em digestores de biogás tradicionais. Entretanto, os inventores da presente invenção surpreendentemente constataram que uma camada de espuma tem efeitos benéficos na degradação de sulfeto de hidrogênio. Os inventores da presente invenção constataram que com o uso de uma camada de espuma, o sulfeto de hidrogênio é convertido em enxofre elementar, e cria-se apenas um pouco ou nenhum sulfato. Em contrapartida, por exemplo, em filtros biológicos percoladores e biofiltros, o sulfeto de hidrogênio é convertido em sulfato e o líquido se torna muito ácido. Além disso, quando a camada de espuma é usada, é possível usar um tanque de tamanho muito menor, visto que a eficiência é altamente aumentada com o uso de uma camada de espuma em vez de um líquido.

[068] O líquido formador de espuma que constitui a camada de espuma pode, em uma modalidade preferencial, compreender um ou mais agentes formadores de espuma que facilitam/aumentam a formação de espuma. O agente formador de espuma pode, por exemplo, ser um tensoativo e/ou um material biológico.

[069] Em uma modalidade preferencial da invenção, o líquido formador de espuma compreende uma ou mais proteínas como agente espumante (agente formador de espuma). A proteína pode ser qualquer tipo de proteína, o tipo da proteína formadora de espuma não é fundamental e a presente invenção não deve ser limitada a um tipo específico de proteína usado para formar a camada de espuma.

[070] As proteínas são produzidas por cadeias de aminoácidos. Essas cadeias podem ser cadeias longas ou cadeias ramificadas. Quanto maior o número de aminoácidos presentes na proteína, maior é o peso molecular da proteína. Os aminoácidos podem ser hidrofílicos ou hidrofóbicos.

[071] As proteínas no líquido formador de espuma podem aumentar a formação de espuma. Alternativamente, as proteínas podem ser adicionadas ao líquido formador de espuma como um agente formador de espuma, no caso de a produção de espuma ter que ser aumentada ou no caso de o líquido formador de espuma ser produzido a partir de água misturada com um agente espumante.

[072] A espuma pode ser definida como um sistema de duas fazes que compreende células de ar/gás separadas por uma camada líquida delgada contínua. As proteínas contribuem para a distribuição uniforme de células de ar finas na estrutura de espuma. As proteínas como agentes espumantes estabilizam as espumas rápida e eficazmente por 1) difundirem a interface de ar/água e diminuírem a tensão superficial da interface ar-líquido, 2) as proteínas se desdobraram na interface com orientação das porções químicas polares em direção à água, 3) os polipeptídeos interagirem para formar um filme ao redor da bolha com possível desnaturação parcial.

[073] As proteínas se adsorvem rapidamente na interface e formam um filme estabilizador ao redor das bolhas que promove a formação de espuma.

[074] Em uma outra modalidade da invenção, o líquido formador de espuma compreende um ou mais catalisadores para facilitar a oxidação de sulfeto de hidrogênio. O catalisador pode ser um ou mais dentre ferro, molibdato, nióbio, titânio, potássio, manganês, cobalto ou compostos similares. O um ou mais catalisadores são selecionados dentre catalisadores à base de carbono e catalisadores à base de óxido metálico. Os catalisadores à base de carbono podem ser carbono ativado. Os catalisadores à base de óxido metálico podem ser selecionados dentro o grupo de óxido de ferro, trióxido de molibdênio, óxido de cobalto, óxido de nióbio e óxido de titânio.

[075] Em algumas modalidades preferenciais, o gás é suprido ao tanque (13) como bolhas. Tais bolhas podem, por exemplo, ser fornecidas deixando-se o gás atravessar um elemento poroso disposto na camada líquida (6) e que tem poros configurados para fornecer bolhas de acordo com o tamanho de bolha desejado. Tal introdução de bolhas pode pelo menos auxiliar na produção da espuma no interior do tanque 13. Em algumas modalidades, o gás é suprido ao tanque na camada de espuma (7).

[076] O líquido formador de espuma, tal como o líquido purificador, tem um pH de 6 a 9, de preferência, 7 a 8, enquanto o pH em um biofiltro ou filtro biológico percolador diminui para um pH abaixo de 4, a menos que quantidades muito altas de água ou produtos químicos sejam usadas para manter o pH na faixa neutra. Visto que o pH do líquido de descarga é de 6 a 9, de preferência, 7 a 8, a descarga atende as exigências de descarga em quase todos os requerimentos e países. O líquido de descarga em biofiltros e filtros biológicos percoladores é tipicamente 1 a 4 e isso excede os regulamentos de descarga em alguns requerimentos. Além disso, o pH neutro do líquido de descarga na presente invenção torna possível construir o tanque (ou tanques) usado no processo da invenção em uma ampla gama de materiais, enquanto um filtro biológico percolador tem que ser construído a partir de um material especial à prova de ácido.

[077] Além disso, a eficácia de limpeza é significativamente aumentada com a presente invenção em comparação ao uso, por exemplo, de filtros biológicos percoladores. A limpeza de um gás deixando-se o gás atravessar uma camada de espuma de líquido formador de espuma de acordo com a presente invenção resulta em uma capacidade de limpeza de cerca de 200 g de sulfeto de hidrogênio por m3 de espuma em comparação a uma capacidade de cerca de 50 a 60 g de sulfeto de hidrogênio por m3 de meio recheado para um filtro biológico percolador. Dessa forma, o processo de acordo com a presente invenção indica ser pelo menos duas vezes, tal como pelo menos 3 a 4 vezes, mais eficiente na limpeza de sulfeto de hidrogênio de um gás que um processo com filtro biológico percolador. Portanto, o tamanho físico do tanque para a limpeza do gás pode ser muito menor. Isso é benéfico visto que permite o uso de tanques pré-fabricados também para altas cargas de sulfeto de hidrogênio, enquanto tanques para filtros biológicos percoladores para projetos com altas cargas de sulfeto de hidrogênio devem ser construídos no local devido aos mesmos, a fim de terem a mesma capacidade, serem muito maiores. Além disso, tanques menores diminuem os custos de produção.

[078] Os inventores da presente invenção não registraram qualquer diminuição ou redução de sulfeto de hidrogênio de um gás em bolhas que atravessa uma camada líquida sem a camada de espuma.

[079] Além disso, o processo de acordo com a presente invenção tem um tempo de inicialização muito curto. O mesmo leva menos de 1 hora de zero à capacidade total. Pelo contrário, um processo biológico percolador com leitos recheados leva de 24 a 72 horas desde a inicialização até obter capacidade total. Isso torna possível usar a invenção para remoção de sulfeto de hidrogênio também em projetos em que o fluxo de biogás é intermitente (interrompido/avançado).

[080] No processo de acordo com a presente invenção há pouco ou nenhum acúmulo de enxofre. Conforme mencionado anteriormente, o enxofre elementar pode facilmente ser descarregado com a drenagem do líquido formador de espuma. Portanto, a manutenção é mantida a um mínimo.

[081] A limpeza de um gás que compreende sulfeto de hidrogênio no processo de acordo com a presente invenção ocorrerá da seguinte forma. O gás é conduzido a um tanque (tanque 13 na Figura 1). O gás é conduzido para o tanque na camada líquida ou na parte inferior da camada de espuma, tal como nos 10% mais abaixo na camada de espuma. Caso o gás não compreenda oxigênio, ar, oxigênio puro ou um outro gás com oxigênio é injetado no gás, de preferência, na entrada (2), ao tanque ou, alternativamente, diretamente ao tanque (não mostrado na Figura 1). O gás que compreende sulfeto de hidrogênio e, caso suprido, oxigênio se move para cima no tanque (13) em contato com a camada de espuma por meio da gravidade, e o sulfeto de hidrogênio é oxidado em enxofre elementar. O enxofre elementar irá submergir em direção ao fundo do líquido formador de espuma, enquanto o gás limpo se moverá para cima e deixará o tanque na saída (14) no topo do tanque (13). O gás pode ser misturado com a espuma ao deixar o tanque na saída (14). Caso misturado com a espuma, a mistura de gás limpo e espuma proveniente da saída (14) pode ser separada por meios (8) para separar gás limpo de espuma passando-a através de um separador, por exemplo, um copo de extração, que separa a espuma do gás limpo, e o gás limpo é conduzido para a primeira saída (12). A espuma separada do gás limpo pelo meio (8) pode ser recirculada para o tanque (13) por um conector de espuma (9), e o gás limpo é conduzido para a primeira saída (12).

[082] Em uma modalidade da invenção, o gás a ter sulfeto de hidrogênio eliminado é suprido ao tanque como bolhas conduzindo-se o gás através de meios formadores de bolhas (3). A introdução do gás como bolhas pode ser realizada introduzindo-se o gás ao tanque através de difusores de bolhas finas ou um material poroso.

[083] Em uma modalidade adicional da invenção, o gás que compreende sulfeto de hidrogênio e, se suprido, o oxigênio são injetados no tanque diretamente na camada de espuma (7) do tanque.

[084] Em uma modalidade adicional da invenção, o líquido formador de espuma compreende, ainda, micro-organismos de degradação de enxofre. Os ditos micro-organismos de degradação de enxofre são, de preferência, Thiobacillus bacteria.

[085] Em um aparelho de acordo com a presente invenção:

[086] É feita referência à Figura 1 que ilustra esquematicamente um aparelho para remover sulfeto de hidrogênio de um gás de acordo com modalidades preferenciais da invenção.

[087] Conforme ilustrado na Figura 1, o aparelho compreende, de preferência, um tanque (13) configurado para compreender um líquido formador de espuma em uma camada líquida (6) e espuma em uma camada de espuma (7) acima da camada líquida (6), sendo que a dita camada de espuma é formada a partir do líquido formador de espuma na camada líquida (6). O tanque pode ser produzido a partir de um material resistente a vários componentes contidos no tanque, por exemplo, H2S, e é, em uma modalidade preferencial, produzido a partir de plástico reforçado com fibra, mas também pode ser usado aço inoxidável ou aço carbono revestido.

[088] A extremidade superior do tanque (13) pode, de preferência, ter formato de domo, de modo a definir um funil que auxilia na condução do gás e/ou bolhas para uma posição mais elevada, na qual a posição e a saída (14) vantajosamente podem ser dispostas.

[089] O aparelho compreende tipicamente uma entrada (1) para suprir o gás que compreende sulfeto de hidrogênio ao tanque (13). Conforme ilustrado na Figura 1, a entrada (1) pode ser dotada de um soprador de modo a conduzir o gás para o tanque. Caso o gás tenha uma pressão superior à pressão no interior do tanque (13), o soprador pode ser substituído por uma válvula de controle (não ilustrada) para controlar o fluxo de gás para o tanque. Observa-se que uma combinação de uma válvula de controle e um soprador pode ser preferencial também em casos em que o gás precisa ser conduzido para o tanque (13) e a quantidade de gás de alimentação deve ser controlada. Adicionalmente, os meios revelados acima em relação à regulação de fluxo também podem ser aplicados.

[090] Conforme apresentado no presente documento, a invenção reside na presença de uma camada de espuma (7) fornecida acima de uma camada líquida (6) no interior do tanque (13). Tal camada de espuma (7) pode ser fornecida por um ou mais dispositivos formadores de espuma (3, 11, 15) configurados para produzir uma camada de espuma (7) a partir do líquido formador de espuma. Conforme será apresentado em mais detalhes abaixo, tais dispositivos formadores de espuma podem ser dispostos em regiões diferentes do tanque e têm o propósito de atuar sobre/com o líquido formador de espuma para produzir uma espuma produzida de bolhas. Típica e preferencialmente, as bolhas compartilham paredes no sentido de que as bolhas podem ser observadas como células na camada de espuma (7). As paredes das bolhas são produzidas a partir do líquido formador de espuma.

[091] De preferência, o aparelho compreende, ainda, uma saída (5) para drenar o líquido formador de espuma e produtos de conversão de sulfeto de hidrogênio, tal como enxofre elementar disperso. Observa-se que o enxofre elementar proveniente do processo se instala na camada líquida 6 em que é disperso e flutua devido à agitação dos dispositivos para a formação de espuma 3, 11, 15.

[092] À medida que o líquido formador de espuma juntamente com o enxofre elementar disperso é removido através da saída (5), adições, tais como cobertura de líquido espumante, são necessárias. Adicionalmente, mediante a inicialização do aparelho, o líquido formador de espuma deve ser introduzido no tanque (13). Dessa forma, para alcançar essas metas, o aparelho pode compreender uma entrada (4) para adicionar líquido formador de espuma no tanque (13). Conforme ilustrado na Figura 1, a entrada (4) pode ser equipada com uma válvula, tal como uma válvula de controle ou uma válvula de interrupção, para controlar o fluxo de líquido formador de espuma para o tanque; a válvula também pode ser usada para assegurar que o líquido formador de espuma não flua para fora do tanque (13).

[093] O gás é limpo enquanto está localizado no interior do tanque e é extraído do tanque através de uma saída (14) para escoar gás limpo. Conforme será elucidado abaixo, a saída pode ser configurada para remover espuma do gás, caso tal espuma escape do tanque (13) com o gás limpo.

[094] Como se constatou que a parte superior do interior do tanque (13) tipicamente compreende gás limpo, a saída (14) (consultar a Figura 1) é tipicamente disposta em uma extremidade vertical do tanque (13).

[095] Conforme apresentado no presente documento, alguns gases a serem limpos contêm oxigênio suficiente para permitir uma conversão da maior parte, ou todo, do H2S contido no gás em enxofre elementar e outros gases não. Caso a adição de oxigênio seja necessária para converter o sulfeto de hidrogênio, o aparelho pode compreender, ainda, meios (2) para suprir oxigênio ao tanque (13). Na Figura 1, o meio (2) para suprir oxigênio é ilustrado como uma conexão fluida com a entrada (2) com um soprador para a mistura de oxigênio na corrente de gás a ser limpo antes de a dita corrente de gás ser introduzida no tanque (13). Novamente, o soprador pode ser substituído e/ou combinado com uma válvula controlável para controlar a quantidade de oxigênio misturada na corrente de gás a ser limpo, ou os outros meios de controle revelados no presente documento podem ser aplicados.

[096] Em outras modalidades, o meio (2) para suprir oxigênio pode suprir oxigênio no interior do tanque (13) através de uma entrada separada (não mostrada na Figura 1) que conduz o oxigênio diretamente para o tanque (13).

[097] A entrada (1) para conduzir o gás para o tanque pode compreender meios formadores de bolhas (3), tais como difusores de bolhas finas, tal como um elemento poroso com tamanho de poro na faixa micrométrica. Tais difusores de bolhas são, de preferência, dispostos no fundo do tanque e direcionam a bolha para cima através da camada líquida - dessa maneira, os difusores de bolhas são configurados para produzir espuma da camada de espuma (7) e, assim, um difusor de bolhas (3) opera como um dispositivo para formação de espuma (3).

[098] Em determinadas modalidades preferenciais, os difusores de bolhas finas podem ser móveis na direção vertical e podem vantajosamente ser dispostos acima da camada líquida (6) durante o uso do aparelho. Alternativamente ou em combinação, o nível de líquido formador de espuma pode ser elevado ou reduzido, pelo que a posição dos difusores de bolhas em relação à superfície do líquido formador de espuma pode ser alterada.

[099] Entretanto, caso uma exigência para aumento de produção de espuma ocorra, os difusores de bolhas podem ser submergidos na camada líquida (6).

[0100] Alternativamente ou em combinação com o difusor de bolhas (ou difusores de bolhas) (3), pode-se instalar um ou mais dispositivos formadores de espuma, tais como um bocal aspersor de espuma (11), que também podem ser denominados tubulação de espuma, dispostos em uma extremidade superior do tanque (13), um impulsor (15) disposto na extremidade inferior do tanque (13) na camada líquida (6) ou combinações dos mesmos. O impulsor também pode ser um agitador ou um batedor.

[0101] Um bocal aspersor de espuma (11), conforme ilustrado na Figura 1, e que é disposto em uma extremidade superior do tanque (13) tipicamente usa o líquido formador de espuma suprido a partir da camada líquida (6) através de uma conexão de líquido (10) que inclui uma bomba. O bocal aspersor de espuma (11) pode ter a forma de um bocal de espuma/tubulação de espuma que tem uma entrada para gás e uma entrada para líquido formador de espuma. A entrada para gás é tipicamente disposta na extremidade superior do tanque (13), pelo que o gás usado para “encher” as bolhas é, pelo menos em grande parte, gás limpo. Tipicamente, o líquido que forma as paredes das bolhas é, consequentemente, o líquido formador de espuma.

[0102] Um agitador/impulsor/batedor (15) é tipicamente acionado por motor, por exemplo, por um motor elétrico, pneumático ou hidráulico que gira um eixo do agitador/impulsor/batedor (15), e pode ser disposto na camada líquida (6) de modo a fornecer um movimento do líquido formador de espuma para produzir a espuma.

[0103] Em algumas situações, o gás limpo que deixa o tanque (13) é acompanhado por uma corrente de espuma, o que em geral não é preferencial. A fim de impedir isso, o aparelho pode compreender, ainda, meios (8) para separar gás limpo da espuma. Tal meio pode ser uma interceptação de espuma convencional ou um copo de extração, e o meio para separar gás limpo da espuma está em conexão fluida com o interior do tanque 13. O meio compreende tipicamente uma saída (12) para escoar o gás limpo sem espuma do aparelho e uma conexão de fluidos (9) que conduz para o tanque (13) para a recirculação da espuma e/ou do líquido que formou a espuma de volta para o tanque (13).

[0104] Deve-se observar que as modalidades e recursos descritos no contexto de um dos aspectos da presente invenção também se aplicam aos outros aspectos da invenção.

[0105] Todas as referências de patentes e não patentes citadas no presente pedido estão incorporadas ao presente documento a título de referência em sua totalidade. LISTA DE SINAIS DE REFERÊNCIA USADOS 1 Entrada para suprir gás ao tanque 2 Meio para suprir oxigênio (ou ar) ao tanque 3 Difusor 4 Meio para introduzir fluido ao tanque 5 Meio para drenar fluido do tanque 6 Camada líquida no tanque 7 Camada de espuma no tanque 8 Interceptador de espuma 9 Conexão de espuma entre a interceptação e o tanque 10 Bomba e conexão de líquidos 11 Dispositivo para a formação de espuma 12 Primeira saída 13 Tanque 14 Saída para escoar gás limpo do tanque 15 Dispositivo para a formação de espuma

Claims (14)

1. PROCESSO PARA REMOVER SULFETO DE HIDROGÊNIO DE UM GÁS, caracterizado por compreender as etapas de: • fornecer um gás que compreende sulfeto de hidrogênio • suprir oxigênio ao processo caso o gás não compreenda oxigênio, ou não compreenda oxigênio suficiente para converter sulfeto de hidrogênio em enxofre elementar; • conduzir o gás que compreende sulfeto de hidrogênio e, caso suprido, o oxigênio a um tanque (13) que compreende: i) camada líquida (6) que compreende um líquido formador de espuma que compreende um ou mais agentes formadores de espuma e ii) uma camada de espuma (7) produzida a partir do dito líquido formador de espuma por um ou mais dispositivos formadores de espuma (3, 11, 15), em que a dita camada de espuma (7) é formada no topo do líquido formador de espuma (6), e a dita camada de espuma tem pelo menos 0,5 metro de altura, de modo que o dito gás que compreende sulfeto de hidrogênio seja conduzido através da dita camada de espuma e o sulfeto de hidrogênio no gás seja convertido em produtos de conversão de sulfeto de hidrogênio, e • conduzir o gás limpo para a saída (14) para escoar o gás limpo e os produtos de conversão do sulfeto de hidrogênio para uma outra saída (5) para drenar produtos de conversão de sulfeto de hidrogênio.

2. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo agente formador de espuma ser um tensoativo e/ou um material biológico.

3. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo agente formador de espuma ser uma ou mais proteínas.

4. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo líquido formador de espuma compreender um ou mais catalisadores.

5. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo gás limpo conduzido a partir da saída (14) ser separado da espuma por meios (8) para separar gás limpo da espuma, e o gás limpo separado da espuma é conduzido para a primeira saída (12) para gás limpo separado da espuma.

6. PROCESSO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela espuma separada do gás limpo por meios (8) ser recirculada para o tanque pela conexão de espuma (9).

7. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo oxigênio suprido ao processo ser selecionado dentre o grupo que consiste em gases que compreendem de 21 a 100% de oxigênio.

8. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo gás ser suprido ao tanque como bolhas conduzindo-se o gás através de meios formadores de bolhas (3), tais como difusores de bolhas ou um material poroso.

9. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo gás ser selecionado dentre biogás, gás de aterro, gás natural, gás proveniente de poços de óleo e gás e ar, de preferência, um biogás.

10. PROCESSO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo pH do líquido formador de espuma ser de 6 a 9, de preferência, 7 a 8.

11. APARELHO PARA REMOVER SULFETO DE HIDROGÊNIO DE UM GÁS, caracterizado por compreender: - um tanque (13) configurado para compreender uma camada líquida (6) que compreende um líquido formador de espuma que compreende um ou mais agentes formadores de espuma e uma camada de espuma (7) acima da camada líquida (6), sendo que a dita camada de espuma é formada a partir do líquido formador de espuma na camada líquida (6); - uma entrada (1) para suprir o gás que compreende sulfeto de hidrogênio para o tanque (13); - um aspersor de espuma (11) disposto em uma extremidade superior do tanque (13) para produzir uma camada de espuma (7) a partir do líquido formador de espuma; - uma saída (5) para drenar produtos de conversão do sulfeto de hidrogênio - uma entrada (4) para adicionar líquido formador de espuma; - uma outra saída (14) para escoar gás limpo.

12. APARELHO, de acordo com a reivindicação 11, sendo que o dito aparelho é caracterizado por compreender, ainda, meios (2) para suprir oxigênio ao tanque (13).

13. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 ou 12, caracterizado pela entrada (1) para conduzir o gás ao tanque compreender meios formadores de bolhas (3).

14. APARELHO, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, sendo que o aparelho é caracterizado por compreender, ainda, meios (8) para separar gás limpo proveniente da saída (14) da espuma, e uma primeira saída (12) para remover gás limpo separado da espuma, e um conector de fluido (9) para recirculação de espuma e/ou líquido formador de espuma para o tanque (13).