BR112019024101A2 - Dispositivo absorvedor rotacional para depuração de um absorvato de um gás, embarcação e método para depuração de um absorvato de um gás - Google Patents
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Abstract
dispositivo absorvedor rotacional para depuração de um absorvato de um gás, embarcação e método para depuração de um absorvato de um gás a presente invenção trata de um dispositivo e um método para depuração de um absorvato de um gás. o dispositivo absorvedor rotacional compreende um alojamento apresentando uma entrada de gás, uma saída de gás, uma entrada de líquido absorvente e uma saída de líquido absorvente; um rotor montado para rotação no alojamento e se conectando às entradas e às saídas, o rotor compreendendo uma pluralidade de canais de depuração que se estendem axialmente e paralelamente a um eixo geométrico de rotação comum; e meios para rotação do rotor. o dispositivo e o método fornecem uma depuração do gás com seletividade e eficiência aperfeiçoadas.
Description
DISPOSITIVO ABSORVEDOR ROTACIONAL PARA DEPURAÇÃO DE UM ABSORVATO DE UM GÁS, EMBARCAÇÃO E MÉTODO PARA DEPURAÇÃO DE UM ABSORVATO DE UM GÁS
CAMPO DA INVENÇÃO
[0001] A presente invenção se refere a um dispositivo absorvedor rotacional para depuração de um absorvato de um gás. A invenção se refere adicionalmente a um método para depuração de um absorvato de um gás.
HISTÓRICO
[0002] A depuração de um gás residual de componentes indesejados (o absorvato) tem sido realizada há muito tempo. Instalações de tratamento de depuração típicas levam um gás ao contato com um assim chamado líquido absorvente com a finalidade de permitir que o absorvato, na forma de certos componentes gasosos, passe do gás para o líquido. Por exemplo, a depuração pode ser usada para limitar emissões. Também se refere à depuração como absorção na técnica.
[0003] Durante a depuração, ocorre uma transferência de componentes a partir do gás para o líquido absorvente. O nível de componentes gasosos, que realmente passa para o líquido absorvente, entre outros fatores, é determinado pela capacidade do absorvato em se dissolver no liquido absorvente. A Lei de Henry é aplicável à solubilidade de gases em líquidos, para baixas concentrações e componentes com uma pressão parcial < 1 atm:
p = H . x (1) em que:
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2../ 26 ρ = pressão parcial (Pa) x = fração molar H = constante de Henry (Pa) [0004] Isso permite que se calcule a concentração máxima de um absorvato no liquido absorvente para qualquer concentração final desejada.
[0005] Os meios convencionais de depuração de um gás são por pulverização de liquido, colunas com pratos úmidos e colunas empacotadas úmidas. Embora os dispositivos conhecidos possam operar de maneira satisfatória, eles estão propensos a aperfeiçoamentos, em particular com respeito às suas eficiências. Por exemplo, a eficiência pode se relacionar à quantidade de liquido absorvente, que é necessária para absorver uma certa quantidade de absorvato.
[0006] O documento US 2.662.759 descreve um dispositivo de fracionamento multicelular. A sua finalidade é fracionar um meio que chega em diferentes componentes, o que é muito diferente de depuração, cuja finalidade, de fato, é remover componentes de um gás por dissolução desses componentes em um líquido adicionado separadamente. O fracionamento e a depuração são operações unitárias diferentes da tecnologia de processo, e as suas físicas diferem de maneira substancial, o que acarreta em diferenças nos procedimentos de projeto e operacionais. A coluna do documento US 2.662.759 compreende elementos rotativos, dispostos de maneira axial, e placas estacionárias entre eles, ambos esses sendo fornecidos com canais. Portanto, a rotação é seguida por não rotação em inúmeros estágios
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3/26 subsequentes axialmente, por meio disto cada estágio é o equivalente de um prato em uma coluna de fracionamento clássica. Diz-se que a configuração intensifica a misturação radial para reduzir a não homogeneidade horizontal de concentrações e de temperaturas. 0 alcance de equilíbrio de estágios é, de fato, uma característica desejada de uma coluna de fracionamento. No entanto, a disposição de elementos rotativos e não rotativos torna o dispositivo de US 2.662.759 inadequado para a depuração. 0 espaço vertical entre cada elemento rotativo e não rotativo fornece um intervalo, através do qual um líquido absorvente seria transportado em uma direção radial, como um resultado das forças centrífugas que atuam no líquido. Portanto, o líquido absorvedor introduzido mover-se-ia mais e mais para uma parte radialmente externa da coluna com distância vertical a partir de uma extremidade à montante (uma extremidade de topo) do dispositivo. Isso causaria uma distribuição não homogênea do líquido absorvente sobre os canais, e a depuração desejada não ocorrería.
[0007] É um objetivo da presente invenção fornecer um dispositivo absorvedor para depuração de um absorvato de um gás apresentando uma eficiência aperfeiçoada em face dos dispositivos do estado da técnica. É um objetivo adicional fornecer um dispositivo absorvedor mais compacto para depuração de um absorvato de um gás. Ainda outro objetivo é fornecer um método mais eficiente para depuração de um absorvato de um gás.
RESUMO DA INVENÇÃO
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4/26
[0008] Esses e outros objetivos são fornecidos por um dispositivo de acordo com a reivindicação 1. A invenção fornece um dispositivo absorvedor rotacional para depuração de um absorvato de um gás, o dispositivo compreendendo um alojamento (housing) apresentando uma entrada de gás, uma saída de gás, uma entrada de líquido absorvente e uma saída de líquido absorvente; um rotor montado para rotação no alojamento e se conectando às entradas e à saídas, o rotor compreendendo uma pluralidade de canais de depuração que se estendem axialmente e paralelos a um eixo geométrico de rotação comum; e meios para rotação do rotor. Os canais estão fechados de maneira circunferencial por paredes sobre um comprimento axial inteiro do rotor, entre a entrada de líquido absorvente e a saída de líquido absorvente; e o dispositivo compreende adicionalmente meios para fornecimento de um escoamento sustentado de líquido absorvente para a entrada de líquido absorvente.
[0009] O dispositivo da invenção permite absorver de maneira eficiente em absorvato de um gás. Para tal, um método de acordo com a invenção teve por objetivo a depuração de um absorvato de um gás e compreende o fornecimento de um dispositivo absorvedor rotacional de acordo com a invenção, a alimentação de um gás a uma entrada de gás, a alimentação de um líquido absorvente à entrada de líquido absorvente, a rotação do rotor no alojamento, que faz com que o líquido absorvente se confine de encontro a uma parede voltada para dentro dos canais de depuração e forme um filme sobre ela, a permissão de transporte molecular de absorvato a partir
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5/26 do gás para o líquido absorvente, e a saída do gás, através da saída de gás, e do líquido absorvente, através da saída de líquido absorvente.
[0010] O gás que entra no alojamento e nos canais de depuração do rotor rotativo contém um componente a que se refere como absorvato, que é absorvido pelo líquido a que se refere como absorvente ou líquido absorvente. Em uma operação típica, o filme, que é formado nas paredes dos canais, absorve pelo menos parte do absorvato, e o filme contendo (parte de) o absorvato, em uma modalidade, escoa paralelamente ao gás nos canais de depuração e eventualmente se rompe em gotículas quando deixa os canais. Devido à rotação do rotor, as gotículas de líquido absorvente são propelidas radialmente para fora com respeito a um eixo geométrico de rotação central do rotor em direção à saída de líquido absorvente do alojamento, onde o líquido é descartado e/ou coletado.
[0011] O dispositivo absorvedor rotacional da invenção apresenta a vantagem de que ele pode ser projetado com um tamanho relativamente pequeno, em particular com relação aos dispositivos absorvedores conhecidos, tais como torres de spray, por exemplo. O tamanho pequeno é alcançado por fornecimento da pluralidade de canais preferencialmente paralelos de tamanho pequeno no rotor. O tamanho de seção transversal dos canais de depuração pode ser selecionado dentro de uma grande região, dependendo da aplicação específica. As larguras de seção transversal dos canais podem ser tão pequenas quanto 1 mm, ou mesmo 0,1 mm, e, de preferência, são limitadas
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6/26 a 10 mm, mais preferivelmente a 5 mm. Por causa da rotação do rotor, o líquido absorvedor migrará em direção e, eventualmente, será confinado contra uma parede voltada para dentro de cada canal, onde ele forma um filme com uma espessura que pode ser tão pequena quanto 0,001 a 1 mm, mais preferivelmente entre 0,010 e 0,1 mm. A pequena largura de seção transversal dos canais e a pequena espessura do filme promove uma baixa resistência ao transporte molecular de absorvato a partir do gás para o líquido absorvente.
[0012] Um efeito vantajoso adicional do rotor rotativo é que o líquido absorvente é pelo menos parcialmente separado na forma de gotículas que são propelidas em direção à saída de líquido. Essa separação causada por rotação evita que se tenha que instalar um separador de líquidos separado à jusante do dispositivo absorvedor real, como é tipicamente feito na técnica anterior.
[0013] O resultado de se usar o dispositivo da invenção é um sistema compacto e efetivo para remoção de constituintes (absorvato) em gases por absorção. O dispositivo da invenção também pode ser usado para resfriar gases e para remover componentes condensados, que são absorvidos no filme líquido.
[0014] Devido à ação da força centrífuga, líquido e gás, que são levados à rotação quando passados através de um canal de depuração do rotor, se movem radialmente, para longe a partir do eixo geométrico de rotação, em direção a uma fronteira radial, que se estende paralelamente ao eixo geométrico de rotação e forma uma fronteira dos canais no rotor. A fronteira externa dos
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7/26 canais de depuração serve como um meio para coletar aquelas partes de líquido que foram capazes de alcançar e de se depositarem nesta fronteira e que possam, subsequentemente, ser removidas do gás escoando paralelamente ao longo da fronteira coletante. A extensão, na qual líquido pode alcançar a fronteira coletante e atuar para absorver absorvato de gás, pode ser avaliada a partir do tempo para uma molécula de líquido atingir a fronteira coletante em combinação com o tempo de residência, o tempo para o gás passar através do canal. Um técnico especializado no assunto será capaz de adotar uma velocidade axial adequada do gás, a fim de se conseguir o efeito desejado de formação de filme líquido e absorção de constituintes de gás. Uma extensão axial adequada do rotor e dos canais de depuração pode ser tão grande quanto 100-5.000 vezes a largura de seção transversal dos canais.
[0015] O gás e o líquido, em uma modalidade do dispositivo absorvedor rotacional, são inseridos à montante do rotor, sendo que o dispositivo é dotado com uma entrada de gás e uma entrada de absorvente, ambas localizadas à montante do rotor. O gás e o líquido absorvente, nesta modalidade, escoam na mesma direção, isto é, exibem escoamento em co-corrente. Também pode ser possível definir a direção de escoamento do gás em relação ao líquido de maneira diferente. Em uma modalidade de contra-corrente, o líquido absorvente e o gás a ser depurado escoam em direções opostas. A principal vantagem de depuração em contra-corrente é que
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8/26 quanto mais depurado o gás se tornar, menor será a concentração de poluentes no líquido absorvente.
[0016] Em outra modalidade do dispositivo absorvedor rotacional, a saída de gás e a saída de líquido absorvente estão localizadas à jusante do rotor.
[0017] A quantidade de canais de depuração pode ser escolhida dentro de uma ampla gama, dependendo da aplicação. Uma modalidade adequada do dispositivo absorvedor rotacional compreende uma quantidade de canais de depuração de pelo menos 10, mais preferencialmente de pelo menos 100, e muitíssimo preferencialmente de pelo menos 1.000. O aumento da quantidade pode aumentar a eficiência às custas de queda de pressão através do rotor. A combinação de um grande número de canais em um rotor rotativo fornece um meio para se lidar com grandes quantidades de gás a ser depurado.
[0018] Os canais podem ser fornecidos no rotor de qualquer maneira possível, por exemplo, por perfuração de um cilindro maciço com a quantidade desejada de canais, dispostos paralelamente ao eixo geométrico de rotação do cilindro. Outra possibilidade é fornecer uma pluralidade de cilindros concêntricos estreitamente espaçados e cada espaço anular entre dois cilindros adjacentes é dividido por uma partição que se estende axialmente posicionada de maneira azimutal. Outros meios de se construir o rotor podem ser vislumbrados.
[0019] Os canais são encerrados inteiramente de maneira circunferencial por paredes sobre o inteiro comprimento axial do rotor, entre a entrada e a saída de
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9/26 líquido absorvente. A ausência de orifícios ou de aberturas nas paredes dos canais previne de maneira efetiva que o líquido absorvedor vaze em uma direção axial, devido à ação da força centrífuga. Isso suporta a manutenção de uma distribuição homogênea de líquido absorvedor sobre o comprimento inteiro do elemento rotativo. Na extremidade de fundo (à jusante), a força centrífuga atua como um meio para propelir o líquido absorvente radialmente ao deixar o elemento rotativo ou rotor. 0 líquido carregado com absorvato é, assim, separado de maneira efetiva a partir do gás , que, dependendo do modo de operação, entra ou deixa o elemento rotativo ou rotor na extremidade de fundo (à jusante).
[0020] O meio para fornecimento de um escoamento sustentado de líquido absorvente para a entrada de líquido absorvente pode compreender uma bomba, ou pode ser fornecido pelo sistema de abastecimento de água, por exemplo, no caso do líquido absorvente compreender água. [0021] O fluido absorvente introduzido desenvolve um filme de fluido na fronteira coletante de cada canal de depuração. Se o rotor rotativo for instalado com seu eixo geométrico de rotação de maneira vertical, o fluido coletado, de preferência, não escoará para baixo como um resultado da gravidade, mas, de preferência, será arrastado pelo escoamento de gás nos canais de depuração devido às forças de cisalhamento. O nível de força de cisalhamento nos canais pode ser influenciado pelo gradiente de pressão nos canais de depuração. Esse gradiente de pressão pode ser determinado pela pressão
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10/26 do gás à montante, isto é, a pressão do gás na entrada de gás.
[0022] Para ser capaz de aumentar a força de cisalhamento nos canais para qualquer nível preferido, uma modalidade da invenção se relaciona a um dispositivo, que compreende adicionalmente meios de pressurização para o gás (alimentado) de entrada. Em uma modalidade correspondente do método, o gás (alimentado) de entrada é pressurizado para uma pressão de entre 100 e 2.000 kPa, mais preferivelmente de entre 100 e 1.000 kPa, para melhores resultados.
[0023] Devido à força centrífuga, o líquido, quando deixando o rotor e os canais de depuração do mesmo, é propelido para fora. A rotação, como tal, pode não ter um grande efeito sobre o transporte molecular e a absorção. A rotação do rotor, contudo, tende a reter o filme de líquido formado contra as paredes dos canais e impede ou previne que este filme deixe as paredes. O resultado é que, além da absorção alcançada, uma boa separação de gás e de líquido é inerente ao dispositivo de absorção. O líquido, quando sai dos canais, portanto, é bem separado da corrente de gás e pode ser coletado. No alojamento, podem ser fornecidos meios para o transporte contínuo do fluido absorvente.
[0024] De preferência, os canais são fornecidos substancialmente paralelos ao eixo geométrico de rotação. A aplicação de paredes coletantes posicionadas não paralelas ao eixo geométrico de rotação resulta em um componente da força centrífuga atuando paralelamente à fronteira coletante e pode servir como um meio de ou
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11/26 para intensificar o transporte contínuo do filme de fluido coletado ao longo das paredes dos canais. No entanto, tais paredes inclinadas podem provocar escoamentos secundários, em particular sob condições de escoamento laminar, tais como escoamentos secundários devido a forças de Coriolis. Essas forças secundárias podem perturbar o processo de migração radial e a deposição de partículas de líquido. Uma pequena inclinação na ordem de 0,1-1 radianos pode ser benéfica. [0025] Uma modalidade do dispositivo absorvedor rotacional compreende adicionalmente meios de direcionamento do escoamento fornecidos à montante e/ou à jusante do rotor, por meio do quê os meios de direcionamento de escoamento à montante, de maneira opcional, atuam como meios para rotação do rotor.
[0026] Modalidades adequadas do dispositivo absorvedor rotacional apresentam meios de direcionamento do escoamento compreendendo uma voluta, uma lâmina de estator ou um impelidor, ou uma combinação destes. Esses podem levar o gás de entrada em rotação e minimizar as perdas de pressão sobre o dispositivo, em particular quando do fornecimento de meios de direcionamento de escoamento acionados instalados à montante e/ou à jusante dos canais de depuração do rotor. Os meios de direcionamento de escoamento podem, em algumas modalidades, atuar como meios para rotação do rotor.
[0027] A fim de coletar de maneira efetiva o líquido absorvente contendo (parte de) o absorvato, uma modalidade do dispositivo absorvedor rotacional compreende adicionalmente um coletor de líquido
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12/26 absorvente que se conecta à saída de líquido absorvente. De preferência, esse coletor é fornecido dentro do alojamento do dispositivo e pode, por exemplo, ser concretizado como rebordo ou bandeja circunferencial, fornecidos contra uma parede lateral do alojamento.
[0028] Devido à largura de seção transversal relativamente pequena dos canais no rotor, o gás dentro dos canais pode exercer uma força de cisalhamento bastante forte sobre o filme líquido depositado nas paredes de fronteira dos canais. Isso pode fazer com que o líquido escoe na mesma direção que a corrente de gás. Gás e líquido, então, escoam na mesma direção e um aperfeiçoamento adicional de absorção por tais escoamentos em co-corrente pode ser conseguido por modalidades preferidas do dispositivo, no qual rotores são fornecidos em série. Uma modalidade adequada nesse respeito fornece um dispositivo absorvedor rotacional, em que o alojamento compreende um primeiro e um segundo rotores, ambos montados para rotação no alojamento, por meio do quê o segundo rotor é fornecido axialmente à jusante do primeiro rotor.
[0029] O dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com uma modalidade, compreende uma primeira e uma segunda entradas de líquido absorvente, localizadas à montante do primeiro e do segundo rotores, respectivamente, enquanto que outra modalidade, que pode ser combinada com a primeira modalidade, compreende uma primeira e uma segunda saídas de líquido absorvente, localizadas à jusante do primeiro e do segundo rotores, respectivamente.
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[0030] Em ainda outra modalidade do dispositivo absorvedor rotacional, pelo menos uma das primeira e segunda saídas de líquido absorvente se reconecta a pelo menos uma das primeira e segunda entradas de líquido absorvente, e um dispositivo, no qual a segunda saída de líquido absorvente se reconecta com a primeira entrada de líquido absorvente, é particularmente preferido. No caso de dois rotores posicionados em série um com respeito ao outro, o gás que sai do primeiro rotor entra no segundo rotor, enquanto líquido absorvente fresco é alimentado ao segundo rotor. Quando deixa o segundo rotor, o líquido absorvente parcialmente usado é alimentado ao primeiro rotor e deixa este rotor como líquido absorvente mais completamente, ou mesmo inteiramente, utilizado.
[0031] Em operação, a concentração do absorvato no gás se reduzirá, enquanto que a concentração do absorvato no líquido aumentará. A concentração de equilíbrio no gás, que corresponde a uma certa concentração no líquido, é determinada por inúmeros fatores compreendendo a temperatura. Quanto maior for a temperatura no líquido, tanto maior será a concentração de equilíbrio no gás. Portanto, uma redução de temperatura tem um efeito favorável sobre o rendimento do dispositivo absorvedor rotacional, o qual é preferivelmente operado em temperaturas abaixo de 50 °C, mais preferivelmente abaixo de 40 °C, mais preferivelmente à temperatura ambiente, e muitíssimo preferivelmente em uma temperatura abaixo de 10°C.
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[0032] É possível aumentar o rendimento, isto é, a absorção de absorvato pelo líquido, por adição de entes químicos ao líquido absorvente, que auxiliem converter componentes absorvidos. Portanto, a adição de entes químicos que reajam com os gases absorvidos tem um efeito positivo sobre o rendimento de absorção.
[0033] Além de água, líquidos orgânicos podem ser usados como líquidos absorventes. Em casos apropriados, entes químicos ou micro-organismos podem ser adicionados ao líquido absorvente para converter ou neutralizar gases que estejam dissolvidos no líquido. Como um resultado dessa conversão, a concentração no líquido é reduzida, o quê, por sua vez, permite que mais gás de dissolva, de acordo com a Lei de Henry.
[0034] A razão líquido-gás, no dispositivo de depuração rotacional, compreende a relação entre a vazão de líquido absorvente e a vazão de corrente de gás. O dispositivo da invenção pode exigir uma quantidade mais baixa de líquido por m3 para realizar uma emissão residual desejada, quando comparado aos dispositivos convencionais .
[0035] Embora as velocidades radiais induzidas de maneira centrífuga das partículas de fluido nos canais possam ser muito pequenas, pequenas perturbações no escoamento do gás e do líquido podem ser benéficas ao processo de absorção de constituintes gasosos, assim como à formação de filme de líquido nas paredes de fronteira externas. Uma modalidade do método, em que o diâmetro hidráulico dos canais de depuração e a velocidade do gás axial média sejam selecionados tal que
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15/26 o número de Reynolds nos canais exceda 1.800, mais preferivelmente 2.000, e o gás passe através dos canais de depuração em um escoamento (potencialmente) turbulento, é, portanto, preferida. Geralmente, o escoamento turbulento é atingido quando o número de Reynolds do escoamento através do canal for maior do que 1.800, de preferência, maior do que 2.000. O número de Reynolds é bem conhecido e depende da velocidade axial média do escoamento de gás através de um canal, da viscosidade cinemática do gás carreador e do diâmetro hidráulico do canal. O diâmetro hidráulico pode ser determinado de acordo com princípios bem conhecidos e, para uma seção transversal de canal circular, é igual a seu diâmetro. A velocidade axial média do gás pode ser influenciada pelo gradiente de pressão sobre os canais de depuração. Foi mostrado que o escoamento turbulento predominante nos canais de depuração melhora a eficiência de absorção, possivelmente devido a um melhor transporte de moléculas de gás para o absorvente líquido. As forças de cisalhamento que atuam sobre o líquido, sob condições turbulentas, aumentarão em relação às forças de cisalhamento, sob condições laminares. As forças de cisalhamento aumentadas podem provocar escoamento em co-corrente do gás e do líquido, e uma modalidade do método, na qual ocorra escoamento turbulento e em co-corrente do gás e do líquido nos canais de depuração, é particularmente preferida.
[0036] O escoamento de gás turbulento nos canais predominará quando o número de Reynolds for suficientemente grande. Para valores praticamente
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16/26 realistas de velocidade de escoamento e de diâmetro de canal, uma pressão nos canais de 200 ou mesmo de 500 kPa é necessária para se ter um valor suficientemente grande da densidade do gás para culminar com escoamento turbulento. Em pressão e densidade aumentadas combinadas com escoamento turbulento, a força de cisalhamento, que atua pelo gás sobre o filme de líquido, será grande na extensão em que ocorra escoamento de gás e líquido na mesma direção, pelo menos parcialmente. Também para uma posição vertical dos canais, a força da gravidade pode não ser grande o suficiente para resultar em um escoamento para baixo de líquido por gravidade, em oposição ao escoamento para cima de gás. O escoamento em contra-corrente nos canais pode, então, não ser possível. Por outro lado, em pressões mais moderadas abaixo de 200 kPa ou 500 kPa, o escoamento de gás é predominantemente laminar e a força de cisalhamento pode não mais exceder a força da gravidade. A operação em contra-corrente pode, então, ser possível por injeção de líquido no topo (extremidade à montante do dispositivo), que escoa para baixo, enquanto que o gás, que é injetado no fundo (extremidade à jusante do dispositivo), escoa para cima. Pode ser fornecido um soprador, a fim de impor a diferença de pressão necessária para induzir o escoamento de gás para cima. Nessa modalidade, gás depurado parte do rotor no topo e líquido carregado com absorvato parte no fundo.
[0037] É explicitamente mencionado que as modalidades descritas no presente pedido podem ser combinadas em qualquer combinação possível dessas modalidades, e que
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17/26 cada modalidade separada pode ser o objeto de um pedido divisional.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[0038] A breve descrição acima, assim como outros objetos, características e vantagens da presente invenção serão mais completamente apreciados por referência à seguinte descrição detalhada das modalidades presentemente preferidas, mas apesar disto ilustrativas, quando tomadas em conjunto com os desenhos anexos, nos quais:
[0039] A Figura 1A é uma vista de topo esquemática de um dispositivo absorvedor rotativo de acordo com uma modalidade da presente invenção;
[0040] A Figura 1B é uma vista lateral de seção transversal esquemática de uma seção transversal ao longo de um plano A-A da modalidade mostrada na Figura IA;
[0041] A Figura 2 é uma vista lateral de seção transversal de outra modalidade do dispositivo absorvedor rotativo de acordo com a invenção;
[0042] A Figura 3 é uma vista lateral esquemática de ainda outra modalidade do dispositivo absorvedor rotativo de acordo com a invenção;
[0043] A Figura 4A é uma vista de topo esquemática de um dispositivo absorvedor rotativo de acordo com outra modalidade da presente invenção; e
[0044] A Figura 4B é uma vista lateral de seção transversal esquemática de uma seção transversal ao longo de um plano A-A da modalidade mostrada na Figura 4A.
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DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0045] Referindo-se às Figuras 1A e 1B, é mostrado um dispositivo absorvedor rotativo 100 de acordo com uma modalidade da invenção. O dispositivo 100 compreende um alojamento cilíndrico 16, em que um rotor 17 está montado sobre um eixo mecânico 18 suportado por mancais 19. O rotor 17 consiste em um grande número de canais de depuração 1 que se estendem axialmente, dispostos paralelamente a um eixo geométrico de rotação 20. Os canais 1 são dimensionados de maneira tal que um escoamento potencialmente turbulento possa ser conseguido nos canais 1.
[0046] O rotor 17 está fixado ao eixo mecânico 18, o qual está montado de maneira rotável nos mancais 19, e que pode ser acionado externamente, se desejado. Um possível vazamento entre o rotor 17 e o alojamento 16 pode ser prevenido por uma disposição de selagem adequada. O alojamento 16 está dotado com uma entrada de gás 2 e uma saída de gás 3. A entrada de gás 2 consiste em um duto que esteja tangencialmente posicionado na posição 4, no alojamento cilíndrico 16, em uma extremidade à montante do mesmo, para induzir um movimento rotacional de turbilhonamento do gás que chega no alojamento 16. O movimento de gás de turbilhonamento induz uma rotação do rotor 17 dentro do alojamento 16, sem qualquer meio de acionamento externo, tal como um motor rotacional.
[0047] A configuração da saída de gás 3 é uma imagem especular da configuração de entrada de gás 2 e compreende um duto, que está tangencialmente posicionado
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19/26 na posição 5, no alojamento cilíndrico 16, em uma extremidade à jusante do mesmo, para direcionar o gás resultante a partir de um movimento rotacional de turbilhonamento para um movimento de translação, enquanto deixa o alojamento 16, na posição 5.
[0048] Além das entradas 2 e saídas 3 tangenciais, o movimento de gás rotacional também pode ser gerado e anulado por lâminas curvas estacionárias (não mostradas) fornecidas em uma extremidade à montante e em uma extremidade à jusante do rotor 17. A parte interna da construção de lâminas estáticas pode conter os mancais
19, do rotor 17 .
[0049] No topo do alojamento 16, na extremidade à montante do mesmo, é fornecida uma entrada 6 para líquido absorvente (fresco) 21. Na modalidade mostrada, o líquido 21 é pulverizado no topo do rotor 17, de acordo com a seta 23, por uma disposição de pulverização adequada. O líquido 21 é pulverizado no topo do rotor 16, por meio do quê uma rotação do rotor em torno do eixo geométrico 20 propicia uma distribuição uniforme de líquido 21 sobre os canais 1. No lado à jusante do rotor 16, o líquido absorvedor 21, que, agora, contém absorvato (denotado como líquido contendo absorvato 22) deixa a parede de revestimento (facing) de um casco cilíndrico 7, que forma uma extensão axial da parede de fronteira externa do rotor 16 . Em um lado interno da parede do casco cilíndrico 7, se forma um novo filme de líquido contendo absorvato 22, que se rompe em uma extremidade externa da parede do casco cilíndrico 7 e é propelido como gotículas para uma câmara de coleta de
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20/26 líquido 8, na forma de um rebordo cilíndrico fornecido do lado de dentro do alojamento 17. O líquido absorvente deixa o alojamento 16 na saída 13.
[0050] Como uma alternativa à disposição vertical mostrada nas Figuras 1A e 1B, o dispositivo absorvedor rotacional 100, de acordo com uma modalidade, pode estar posicionado horizontalmente. O escoamento de líquido 21, do lado de dentro dos canais 1, é controlado por forças centrífugas e forças de cisalhamento exercidas pelo gás escoando do lado de dentro dos canais 1, do rotor 17. Quando deixa os canais 1 do rotor 17, o movimento do líquido, contendo absorvato 22 e as gotículas de líquido, é governado por forças centrífugas. A gravitação se torna importante somente quando o escoamento de líquido for levado ao repouso em tanques de coleta (não mostrados) fornecidos do lado de fora do dispositivo absorvedor rotacional.
[0051] Um acionamento ou motor externos podem ser usados quando houver uma necessidade de girar o rotor 17 independentemente do escoamento do gás. Tais meios para girar o rotor podem, em uma tal modalidade, ser conectados ao rotor 17 através de um acoplamento magnético, por exemplo. Nenhuma penetração com eixo mecânico através do alojamento 16 é necessária em tal modalidade, mantendo, assim, a vantagem de prevenir o uso de disposições de selagem complicadas para impedir o escape de gases.
[0052] Por causa da pequena largura de seção transversal dos canais 1, o gás exercerá uma força de cisalhamento bastante forte sobre o líquido 21, enquanto
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21/26 trafegando para baixo do rotor 17, a partir da extremidade à montante até a extremidade à jusante. Isso fará com que o líquido 21 escoe na mesma (à jusante) direção 24 como o gás. Para melhorar a eficiência da operação de depuração, e referindo-se à Figura 2, uma modalidade do dispositivo absorvedor rotacional 100 pode compreender uma primeira entrada de líquido absorvente 6, para líquido absorvente 21a, e uma segunda entrada de líquido absorvente 14, para líquido absorvente 21b, localizados à montante de um primeiro rotor 17a e um segundo rotor 17b, respectivamente, ambos fornecidos em um eixo mecânico comum 18. Uma primeira saída de líquido absorvente 13 é fornecida em uma extremidade à jusante do primeiro rotor 17a, enquanto que uma segunda saída de líquido absorvente 15 é fornecida à jusante do segundo rotor 17b, sendo que a saída 15 se reconecta à primeira entrada 6. O gás entra no dispositivo 100 tangencialmente no topo do dispositivo 100, na entrada 9, e deixa o dispositivo 100 no fundo, através da saída 10. Os rotores rotativos 17a e 17b foram montados em um eixo mecânico 18 comum em uma extremidade de topo 11 e em uma extremidade de fundo 12. Os rotores 17a e 17b são mantidos em uma distância axial um do outro, para possibilitar a provisão de saídas 13 para remover líquido que sai a partir do primeiro rotor 17a, e para injetar líquido 21b fresco através de entradas 14 a uma extremidade à montante do segundo rotor 17b. O gás que sai do primeiro rotor 17a entra no segundo rotor 17b, enquanto que líquido absorvente fresco 21b é alimentado através da entrada 14 ao segundo rotor 17b. Ao deixar o
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22/26 segundo rotor 17b, o líquido absorvente parcialmente usado é retornado ao primeiro rotor 17a e deixa este rotor 17a como líquido absorvente 22b mais completamente, ou mesmo inteiramente, utilizado.
[0053] A quantidade de rotores montados em série em um eixo mecânico opcionalmente comum pode ser estendida para mais do que dois, a fim de se aproximar à configuração de absorção em contra-corrente em mais detalhes. Portanto, é possível adotar um dispositivo absorvedor rotacional que compreenda pelo menos dois rotores em série, mais preferivelmente três rotores em série, e ainda mais preferivelmente pelo menos cinco rotores em série.
[0054] Uma terceira modalidade de um absorvedor rotacional 100 é mostrada na Figura 3. A pressão do gás de um escoamento de gás que chega 26 é aumentada por meios de compressão, na forma de um compressor 25, e o gás pressurizado entra, via a entrada de gás 2, no alojamento 16, do rotor do absorvedor rotacional 100 de acordo com a invenção. Fluido de depuração fresco ou líquido absorvente entra no alojamento 16, via a entrada 6, para remover um contaminante no gás. Gás limpo parte, via a saída de gás 3, e fluido absorvedor utilizado parte, via a saída 13. O compressor 25 é usado para estabelecer um escoamento turbulento nos canais de depuração do rotor do absorvedor rotacional 100.
[0055] Referindo-se às Figuras 4A e 4B, é mostrado um dispositivo absorvedor rotativo 100, de acordo com ainda outra modalidade da invenção. O dispositivo 100 é similar àquele da modalidade mostrada nas Figuras 1A e
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IB, exceto por duas diferenças. Em primeiro lugar, o alojamento 16 está dotado com uma entrada de gás 2, que consiste em um duto, posicionado tangencialmente na posição 4, no alojamento cilíndrico 16, em uma extremidade à jusante do mesmo, para induzir um movimento rotacional de turbilhonamento do gás que chega no alojamento 16. A configuração de saída de gás 3 é uma imagem especular da configuração de entrada de gás 2 e compreende um duto, que está posicionado tangencialmente na posição 5, no alojamento cilíndrico 16, em uma extremidade à montante do mesmo, para direcionar o gás resultante a partir de um movimento rotacional de turbilhonamento para um movimento de translação, enquanto deixa o alojamento 16 na posição 5.
[0056] Como com a modalidade das Figuras 1A e 1B, uma entrada 6 para líquido absorvente (fresco) 21 é fornecida no topo do alojamento 16, na extremidade à montante do mesmo. No lado à jusante do rotor 16, o líquido absorvedor 21, que, agora, contém absorvato (denotado como líquido contendo absorvato 22), deixa a parede de revestimento de um casco cilíndrico 7, que forma uma extensão axial da parede de fronteira externa do rotor 16. Em um lado interno da parede do casco cilíndrico 7, se forma um novo filme de líquido contendo absorvato 22, que se rompe em uma extremidade externa da parede do casco cilíndrico 7 e é propelido como gotículas para uma câmara de coleta de líquido 8, na forma de um rebordo cilíndrico fornecido do lado de dentro do alojamento 16. O líquido absorvente deixa o alojamento 16 na saída 13.
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[0057] A modalidade das Figuras 4A e 4B permite uma operação em contra-corrente do dispositivo de depuração por injeção de líquido absorvente no topo (extremidade à montante) do dispositivo, que escoa para baixo, enquanto que o gás, que é injetado no fundo (extremidade à jusante) do dispositivo, escoa para cima. Um soprador pode ser fornecido para impor uma diferença de pressão e auxiliar o escoamento de gás. O gás depurado parte do elemento rotativo no topo e o líquido carregado com absorvato parte no fundo.
[0058] Uma segunda diferença entre a modalidade das Figuras 1A e 1B, e aquela das Figuras 4A e 4B, é que a última compreende um conduto de retorno 27 para transbordo de líquido absorvente. O conduto de retorno 27 se conecta ao alojamento 16, em uma extremidade para cima do rotor 17, e à entrada 6 fornecida no topo do alojamento 16, na extremidade à montante do mesmo. O líquido absorvente que transborda é retornado à entrada 6, através do conduto 27.
[0059] O transbordamento de líquido absorvente pode ocorrer quando da operação do dispositivo em contracorrente e de condições turbulentas, conforme explicado abaixo. O escoamento de gás turbulento nos canais predominará quando o número de Reynolds for suficientemente grande. Para valores praticamente realistas de velocidade de escoamento e de diâmetro de canal, uma pressão nos canais de 200, 300, 400 e até 500 kPa pode ser necessária para se ter um valor suficientemente grande da densidade do gás, para culminar com um escoamento turbulento. Em pressão e
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25/26 densidade aumentadas combinadas com escoamento turbulento, a força de cisalhamento, atuando pelo gás em corrente ascendente sobre o filme de líquido formado nos canais, será grande na extensão em que o escoamento de gás e líquido possa fluir na mesma direção, isto é, ambos para cima. Mesmo quando os canais estiverem orientados em uma direção vertical, a força da gravidade atuando sobre o líquido absorvente nos canais pode não ser grande o bastante para resultar em um escoamento para baixo de líquido absorvente em oposição ao escoamento para cima do gás. 0 escoamento em contracorrente nos canais pode mesmo ser impossível em certos casos. Por outro lado, em pressões mais moderadas abaixo de 500 kPa, por exemplo, mais preferivelmente abaixo de 400 kPa, ainda mais preferivelmente abaixo de 300 kPa, e muitíssimo preferivelmente abaixo de 200 kPa, o escoamento de gás para cima é predominantemente laminar e a força de cisalhamento exercida pelo gás em corrente ascendente, sobre o filme de líquido absorvente nos canais, pode não mais exceder a força da gravidade.
[0060] O dispositivo absorvedor rotativo pode ser aplicado para remover constituintes gasosos indesejados de um gás. Um exemplo é a depuração de metanol gasoso residual, que está presente na corrente de gás de uma planta de produção de metanol. Tipicamente, a quantidade de metanol gasoso é de 0,8% em uma corrente de gás de 45 Nm3/s à 5.500 kPa e temperatura ambiente. O dispositivo absorvedor rotacional 100 reduz a concentração de metanol para 0,04%, usando água como líquido absorvente em uma vazão de 2 L/s, pulverizada no
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26/26 topo de um rotor 17, girando à 800 rpm, na configuração mostrada na Figura 1. 0 rotor 17 compreende 45.000 canais cilíndricos capilares 1 de 1,8 mm de diâmetro, e espessura de parede de 0,1 mm, refogados em conjunto em um casco cilíndrico de 0,45 m de diâmetro com um comprimento axial de 0,35 m.
[0061] O dispositivo absorvedor axial de acordo com a invenção serve como um aperfeiçoamento em face de dispositivos e métodos de depuração convencionais com base em torres de spray e colunas úmidas, que são frequentemente usados na indústria. Exemplos não limitantes de aplicações para a presente invenção incluem a depuração de gases contendo CO2, amônia, vapor d^água, metanol, SO2, H2S e os similares. O dispositivo da invenção apresenta dimensões e condições operacionais favoráveis para remoção de contaminantes gasosos a partir de saídas de gás relativamente pequenas e para purificação de gás em ambientes internos. O dispositivo também pode ser usado para depuração de SO2 a partir de gases de combustão. O tamanho relativamente pequeno do dispositivo da invenção é particularmente vantajoso para aplicação em embarcações e para outras aplicações marinhas.
Claims (23)
1. Dispositivo absorvedor rotacional para depuração de um absorvato de um gás, caracterizado por compreender um alojamento apresentando uma entrada de gás, uma saída de gás, uma entrada de líquido absorvente e uma saída de líquido absorvente; um rotor montado para rotação no alojamento e se conectando às entradas e às saídas, o rotor compreendendo uma pluralidade de canais de depuração que se estendem axialmente e paralelamente a um eixo geométrico de rotação comum, sendo que os canais estão circunferencialmente encerrados por paredes sobre um comprimento axial inteiro do rotor entre a entrada de líquido absorvente e a saída de líquido absorvente; e sendo que o dispositivo compreende adicionalmente meios para rotação do rotor e meios para fornecimento de um escoamento sustentado de líquido absorvente para a entrada de líquido absorvente.
2. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a entrada de gás e a entrada de absorvente estão localizadas à montante do rotor, e a saída de gás e a saída de líquido absorvente estão localizadas à jusante do rotor.
3. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente meios de pressurização adaptados para aumentar a pressão do gás de entrada.
4. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo
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2/5 fato de que a pluralidade de canais de depuração importa em pelo menos 10, mais preferivelmente em pelo menos 100, e muitíssimo preferivelmente em pelo menos 1.000.
5. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por compreender adicionalmente um coletor de líquido absorvente que se conecta à saída de líquido absorvente.
6. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o alojamento compreende um primeiro e um segundo rotores, ambos montados para rotação no alojamento, por meio do quê o segundo rotor é fornecido axialmente à jusante do primeiro rotor.
7. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende uma primeira e uma segunda entrada de líquido absorvente, localizadas à montante do primeiro e do segundo rotores, respectivamente.
8. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que compreende uma primeira e uma segunda saída de líquido absorvente, localizadas à jusante do primeiro e do segundo rotores, respectivamente.
9. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das primeira e segunda saídas de líquido absorvente se reconecta a pelo menos uma das primeira e segunda entradas de líquido absorvente.
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10. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a segunda saída de líquido absorvente se reconecta à primeira entrada de líquido absorvente.
11. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente meios de direcionamento de escoamento fornecidos à montante e/ou à jusante do rotor, por meio do quê os meios de direcionamento de escoamento opcionalmente à montante atuam como meios para rotação do rotor.
12. Dispositivo absorvedor rotacional, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os meios de direcionamento de escoamento compreendem uma voluta, uma lâmina de estator ou um impelidor, ou uma combinação destes.
13. Método para depuração de um absorvato de um gás, compreendendo o fornecimento do dispositivo absorvedor rotacional conforme definido na reivindicação 1, caracterizado por alimentar um gás à entrada de gás, alimentar um líquido absorvente à entrada de líquido absorvente, girar o rotor no alojamento que faz com que o líquido absorvente se confine contra uma parede voltada para dentro dos canais de depuração e forme um filme sobre ela, permitindo transporte molecular de absorvato a partir do gás para o líquido absorvente, e a saída do gás, através da saída de gás, e do líquido absorvente, através da saída de líquido absorvente.
14. Método, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o gás e o líquido
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4/5 absorvente são alimentados à montante do rotor, e de que o gás e o líquido absorvente saem à jusante do rotor.
15. Método, de acordo com a reivindicação 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que o gás de entrada está pressurizado em uma pressão entre 100 e 2.000 kPa, mais preferivelmente de entre 100 e 1.000 kPa.
16. Método, de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que o líquido absorvente é coletado antes de sair através da saída de líquido absorvente.
17. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 16, caracterizado pelo fato de que o gás e o líquido são alimentados a um primeiro e um segundo rotores, ambos montados para rotação no alojamento, por meio do quê o segundo rotor é fornecido axialmente à jusante do primeiro rotor.
18. Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que o líquido absorvente é alimentado a uma primeira e a uma segunda entrada de líquido absorvente, localizadas à montante dos primeiro e segundo rotores, respectivamente.
19. Método, de acordo com a reivindicação 17 ou 18, caracterizado pelo fato de que o líquido absorvente sai através de uma primeira e de uma segunda saídas de líquido absorvente, localizadas à jusante do primeiro e do segundo rotores, respectivamente.
20. Método, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de que o líquido absorvente, que sai a partir de pelo menos uma das primeira e
Petição 870190118276, de 14/11/2019, pág. 36/76
5/5 segunda saída de líquido absorvente, é alimentado de volta a pelo menos uma das primeira e segunda entradas de líquido absorvente.
21. Método, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de que o líquido absorvente, que sai a partir da segunda saída de líquido absorvente, é alimentado de volta à primeira entrada de líquido absorvente.
22. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 13 a 21, caracterizado pelo fato de que o rotor é acionado por direcionamento do escoamento de gás que chega aproximadamente tangencialmente ao alojamento.
23. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o diâmetro hidráulico dos canais de depuração e a velocidade de gás axial média são selecionados de maneira tal que o número de Reynolds nos canais seja maior do que 1.800 e que o gás passe através dos canais de depuração em um escoamento turbulento.
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