BR112020003154B1 - Reator de metanação biológica - Google Patents

Abstract

O reator (100) de metanação biológica de di-hidrogênio ou de gás rico em di-hidrogênio e de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono com leito fluidizado, comporta: - um recinto (105) apresentando uma extremidade (107) longitudinal dita baixa e uma extremidade (106) longitudinal oposta dita alta, o dito recinto comportando, na proximidade da extremidade baixa: - uma entrada (110) primária de água, - uma entrada (110) de di-hidrogênio ou de gás rico em di-hidrogênio e - uma entrada (110) de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono e na proximidade da extremidade alta: - uma saída (115) para metano de síntese ou para um gás rico em metano de síntese e - uma saída (120) pelo menos para água e - um material (125) suporte não consumível pela reação de metanação para formar um leito de flora metanogênica, apresentando uma densidade superior à densidade da água, configurado para receber uma flora metanogênica.

Description

DOMÍNIO TÉCNICO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção visa um reator de metanação biológica com leito fluidizado. Ela é aplicável, notadamente, ao domínio da metanação industrial para produzir um gás rico em metano de síntese por conversão de dióxido de carbono e de di-hidrogênio.

ESTADO DA TÉCNICA

[002] As tecnologias de metanação biológica são, às vezes, utilizadas para aumentar o teor de metano dos biogases provenientes da metanização biológica. A metanização biológica produz um biogás rico em metano e em dióxido de carbono e contém um certo número de compostos minoritários resultantes da fermentação, tais como o amoníaco, o hidrogênio sulfurado, os siloxanos e outros. As proporções entre metano e dióxido de carbono variam de uma metanização a uma outra, mas a razão 50/50 fornece uma ordem de grandeza das quantidades relativas desses dois constituintes majoritários. A produção de dióxido de carbono quando da metanização é inevitável, mas ela representa uma parte significativa do carbono introduzido inicialmente no metanizador sem valor em metano e que é, além disso, um composto que precisa ser eliminado se se desejar injetar o metano na rede de gás natural.

[003] Para evitar este duplo inconveniente, é possível metanar o dióxido de carbono a partir do biogás através de duas técnicas: - a metanação termoquímica e - a metanação biológica.

[004] Nos dois casos, para realizar a metanação, mistura-se o dióxido de carbono e o di-hidrogênio em um reator.

[005] Na metanação termoquímica, a reação é efetuada em fase gasosa a alta temperatura (a uma temperatura de cerca de 300 a 400°C) sob pressão mais ou menos grande e em presença de um catalisador.

[006] Na metanação biológica, a reação é efetuada em fase líquida graças a microrganismos metanogênicos do domínio Archaea por exemplo.

[007] Nos dois casos, a reação global de metanação é escrita como: CO2 + 4 H2 ^ CH4 + 2 H2O + calor

[008] Como em numerosos processos biológicos, várias condições devem ser reunidas para que a reação se desenvolva corretamente, entre estas sendo possível notar: - um meio anaeróbico úmido, - uma temperatura adequada, - a presença de nutrientes e - o acesso aos reagentes de microrganismos.

[009] Se a cultura em meio anaeróbico úmido em um domínio de temperatura é satisfatória e os nutrientes presentes podem ser facilmente gerados, o acesso aos reagentes que são o di-hidrogênio e o dióxido de carbono pode colocar problemas porque o di-hidrogênio é pouco solúvel em água e nitidamente menos solúvel que o dióxido de carbono. Ora, a reação de metanação requer uma razão H2/CO2 teórica de 4/1, e a não conformidade com esta estequiometria, ou a dificuldade de acesso aos reagentes induz a perdas de eficiência, o excesso de reagentes no gás produzido e, como consequência, o risco de que este não cumpra as especificações de injeção em uma rede de gás natural e que um tratamento caro deva ser implementado para eliminar esses excessos. Aliais, os excessos de reagente, notadamente de H2, acarreta uma baixa drástica da eficácia energética global da produção de metano de síntese.

[010] Vários estudos foram realizados para testar a possibilidade de realização da metanação biológica em laboratório e em estágio industrial. Entre estes, é possível citar: - o leito bacteriano com percolação e - o reator agitado.

[011] O leito bacteriano é um reator que utiliza um material suporte para o desenvolvimento de microrganismos e este material é aspergido com água para manter o meio úmido e para permitir a transferência dos reagentes gasosos na água a fim de que os microrganismos tenham acesso ao mesmo. O gás reativo é introduzido pela base do reator.

[012] O leito bacteriano (como descrito no documento DE 10 2011 051 836) é caracterizado por uma circulação em contracorrente dos fluxos líquidos e gasosos. O gás tende a circular de acordo com um modelo dito pistão, o que favorece o rendimento da reação. No entanto, a circulação pode ser dificultada pelo crescimento bacteriano nos suportes e induzir passagens preferenciais. Para limitar este tipo de problema, a taxa de fluxo de gás é relativamente baixa para deixar um tempo de contato suficiente entre os reagentes e os microrganismos imobilizados no suporte. O leito bacteriano é caracterizado por taxas de produção relativamente baixas (1,17 Nm3 CH4/m3/dia) e, portanto, uma projeção vertical e um espaço ocupado volumétrico grandes. Este espaço ocupado é ligado ao fato de que é necessário manter um volume vazio grande para deixar passagens livres para o gás e o líquido e não obstruir o material suporte.

[013] O reator agitado é um reator equipado com um agitador giratório de alta velocidade para dispersar no meio os gases e, notadamente, o hidrogênio em bolhas finas, assim como os microrganismos a fim de aumentar o acesso dos microrganismos aos reagentes.

[014] O reator agitado apresenta boas taxas de produção: valores de 100 a 200 Nm3 CH4/m3/dia por exemplo. Mas ele precisa de uma travessia de parede (para o agitador), o que coloca problemas relativos à estanqueidade do sistema e, portanto, para a segurança, além disso o agitador induz um consumo de energia. Sendo dado seu projeto, este tipo de reator é dito de tipo perfeitamente agitado, portanto a distribuição dos tempos de permanência é muito estendida: do muito curto ao muito longo, também, uma fuga do reagente gasoso mais ou menos grande ocorre sempre. Por fim, neste tipo de reator, os microrganismos estão em culturas ditas livres e, consequentemente, elas são muito diluídas no meio, o que não favorece o contato entre os microrganismos e os reagentes. Este problema é exacerbado pelo fato de que a metanação biológica produz água que acaba diluindo o meio e que é preciso evacuar porque o reator permanece em um recinto de volume finito.

[015] Nenhum destes ensinamentos permite otimizar o acesso de microrganismos aos reagentes para melhor respeitar a estequiometria preferencial da reação de metanação enquanto dispondo de um reator compacto.

[016] São conhecidos, por exemplo, métodos tal como o descrito no pedido de patente US 4 571 384.

[017] Neste método de produção de um metano de síntese por hidrogenação biológica do dióxido de carbono (CO2), os microrganismos estão contidos em um meio aquoso que imerge um material de tipo carbonato que tem uma função dupla. A primeira função deste material de tipo carbonato e que aparece neste documento é a produção de CO2 requerida para a metanação por descarbonatação deste mesmo material. Por passagem de di-hidrogênio (H2) através da camada, os microrganismos consomem o CO2 proveniente da descarbonatação e deste H2 para produzir do metano de síntese. Esta função é notadamente descrita: - no parágrafo 2 - linhas 46 a 54: “Esta invenção contempla adicionalmente um processo em que bactérias metanogênicas dentro de um volume de água confinado dentro de um vaso produzem metano continuamente, sendo o hidrogênio necessário para fornecer a fonte de energia para essa conversão periodicamente (comum continuamente) introduzindo um fluxo de gás no vaso, e dióxido de carbono sendo fornecido continuamente através da dissolução de carbonato mineral”; - no parágrafo 3 - linhas 5 a 13: “Como a fonte de carbono é essencialmente dióxido de carbono produzido pela dissolução do carbonato mineral”; - no parágrafo 3 - linhas 28 a 33: “O carbonato sólido na coluna fornece continuamente dióxido de carbono dissolvido à água ” e - na reivindicação 1: “O carbonato mineral no dito leito através da dissolução introduzindo dióxido de carbono dissolvido”.

[018] A segunda função atribuída ao material de tipo carbonato é a função suporte para os microrganismos responsáveis pela metanação (confere reivindicação 1: “uma população de bactérias metanogênicas anaeróbicas especificamente adaptadas para a conversão de dióxido de carbono em metano ligado ao carbonato mineral particulado no referido leito”.

[019] Durante a “decomposição” do material carbonato, a água deve ser evacuada progressivamente para permitir uma decomposição contínua do carbonato até esgotamento a fim fornecer o carbono necessário à metanação.

[020] Este documento refere-se à produção de metano de síntese por hidrogenação biológica do CO2. Este documento propõe utilizar um suporte favorecendo o crescimento e a densificação dos microrganismos contrariamente aos sistemas biológicos em que estes mesmos organismos são diluídos em fase aquosa. Este documento revela igualmente uma entrada para água e uma entrada para di-hidrogênio.

[021] No entanto, este documento propõe utilizar um material suporte de tipo carbonato para suprir o CO2 requerido para a metanação biológica. Esta propriedade sub-entende uma decomposição do carbonato durante a produção do metano de síntese. Isto impõe uma renovação ou uma regeneração ao sistema.

[022] Com base na descrição, nos diferentes exemplos e na figura, um técnico no assunto interpretaria o leito contendo o material suporte, as bactérias e a água como um sistema em leito fixo cujas principais desvantagens são coeficientes de transferência de H2 em direção à fase líquida extremamente baixos e, portanto, cinéticas de hidrogenação muito lentas. Estes autores deste documento propõem ter uma dissolução direta de CO2 via a utilização de material de tipo carbonato, mas a dificuldade real reside não na dissolução do CO2 na fase aquosa mas, sobretudo, de H2 na fase aquosa; ora, os autores não propõem uma solução nesse sentido e os resultados e exemplos 1 a 4 apresentados neste documento mostram claramente os tempos de permanência muito longos requeridos para produzir metano de síntese.

[023] O ensinamento do documento US 4 571 384 não permite, portanto, uma produção de metano de síntese em um volume restringido.

OBJETO DA INVENÇÃO

[024] A presente invenção visa remediar, no todo ou em parte, esses inconvenientes.

[025] Para este efeito, a presente invenção visa um reator de metanação biológica de di-hidrogênio ou de gás rico em di-hidrogênio e de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono com leito fluidizado, que comporta: - um recinto apresentando uma extremidade longitudinal dita “baixa” e uma extremidade longitudinal oposta dita “alta”, o dito recinto comportando, na proximidade da extremidade baixa: - uma entrada primária de água, - uma entrada de di-hidrogênio ou do gás rico em di- hidrogênio e - uma entrada de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono e na proximidade da extremidade alta: - uma saída para metano de síntese ou para um gás rico em metano de síntese e - uma saída pelo menos para água e - um material suporte não consumível pela reação de metanação para formar um leito de flora metanogênica, apresentando uma densidade superior à densidade da água, configurado para receber uma flora metanogênica.

[026] Graças a estas disposições, o acesso dos reagentes à flora metanogênica é melhorado porque esta flora é concentrada sobre o material suporte. O suporte móvel serve de local de colonização para os microrganismos e, por sua razão superfície/volume, permite criar uma grande superfície de contato entre os microrganismos e o meio. Além disso, ao imobilizar os microrganismos sobre um suporte, é obtido um efeito de concentração da biomassa maior que no caso de culturas livres. Estes dois efeitos concorrem para aumentar a capacidade reacional por unidade de volume e, portanto, reduzir a projeção vertical do reator. Eles também permitem obter teores muito baixos de resíduos em reagentes no gás produzido.

[027] Esta invenção visa implementar a metanação biológica no seio de uma camada fluidizada de material não consumível com introdução de dióxido de carbono, de di-hidrogênio e de água (em recirculação e eliminação do excesso produzido pela reação). Por “não consumível”, entende-se que o material não se decompõe durante o curso da produção do metano de síntese, o material servindo apenas de suporte para a flora metanogênica, mas não participando diretamente à reação fora o fato de alojar a população bacteriana. Em oposição, um exemplo de material consumível é revelado, por exemplo, no pedido de patente US 4 571 384.

[028] As principais vantagens em utilizar um sistema fluidizado são: - uma transferência eficaz do CO2 e de H2 em direção à fase aquosa assegurada pela mistura inerente à hidrodinâmica de fluidização; - uma conservação da perda de carga qualquer que seja o aumento da flora metanogênica (enquanto que, em leito fixo, as perdas de cargas são aumentadas regularmente ao longo do tempo) e - a hidrodinâmica de fluidização permitindo igualmente assegurar um suporte controlado e uma eliminação progressiva das “lamas” bacterianas pelo fenômeno de atrito surfácico.

[029] Nas modalidades, a área da seção transversal de um volume interior do recinto é uma função crescente ao longo do eixo longitudinal do recinto indo da extremidade baixa à extremidade alta.

[030] Estas modalidades permitem limitar a velocidade vertical da água, o que impede a água de transportar o material suporte além de uma determinada altura, que depende da função crescente da seção transversal usada, das propriedades (densidade, tamanho do grão, esfericidade, etc.) do material suporte, taxas de fluxo de gás e líquido, bem como as propriedades dos fluidos presentes (densidade, viscosidade, etc.).

[031] Nas modalidades, o reator objeto da presente invenção comporta pelo menos um transbordamento para coleta de água posicionado a montante da saída para metano ou gás rico em metano e da saída para água, orientado em direção à extremidade alta do recinto, formando coletor para a água cruzando o transbordamento, a saída para água estando posicionada neste coletor.

[032] Estes modos de recuperação permitem a recuperação de água desprovida, no máximo, de metano de síntese.

[033] Nas modalidades, o reator objeto da presente invenção comporta: - pelo menos uma bomba de recirculação da água atravessando a saída para água do recinto e - pelo menos um trocador térmico configurado para aquecer ou resfriar a água que sai do recinto, a água recirculada, em saída do trocador térmico, sendo pelo menos parcialmente reinjetada no recinto através de um conduto de injeção.

[034] Estas modalidades permitem resfriar ou reaquecer o meio no interior do recinto. No estado inicial do reator, um aquecimento deste meio pode ser favorável para favorecer o desenvolvimento da flora metanogênica enquanto que, em operação, sendo dado o caráter exotérmico da reação de metanação, pode ser favorável reduzir a temperatura no interior do recinto.

[035] Nas modalidades, o reator objeto da presente invenção comporta um meio de medição do nível de água no recinto e uma evacuação de água do reator, a abertura da evacuação sendo comandada em função do nível de água medido.

[036] Preferivelmente, este mesmo meio de medição do nível no recinto comanda a abertura de uma entrada de água quando o nível é muito baixo.

[037] Estas modalidades permitem evacuar o excesso de água do reator ou a adição de água, se necessário.

[038] Nas modalidades, a água recirculada é injetada em um fluxo comportando pelo menos di-hidrogênio e/ou dióxido de carbono, a montante da entrada para di-hidrogênio e/ou da entrada para dióxido de carbono no recinto.

[039] Estas modalidades permitem favorecer a miscibilidade dos reagentes na água, em particular quando a temperatura da água foi abaixada porque a miscibilidade dos gases na água é melhorada em baixa temperatura.

[040] Nas modalidades, o recinto comporta uma entrada para nutrientes e/ou reagentes adicionais e/ou água.

[041] Nas modalidades, o recinto comporta uma saída de água em parte baixa do recinto.

[042] Estas modalidades permitem fornecer, no interior do recinto, meios para favorecer o desenvolvimento da flora metanogênica ou meios para evitar efeitos auxiliares da reação susceptíveis de perturbar o processo, tal como a formação de espuma, por exemplo.

[043] Nas modalidades, os nutrientes e/ou reagentes adicionais são injetados no conduto de injeção em água recirculada.

[044] Estas modalidades permitem limitar o número de aberturas no recinto de modo a favorecer a estanqueidade.

[045] Nas modalidades, a entrada para di-hidrogênio ou para gás rico em di-hidrogênio, a entrada para dióxido de carbono ou para gás rico em dióxido de carbono e a entrada primária de água são confundidas.

[046] Nas modalidades, o reator objeto da presente invenção comporta, a montante da entrada confundida de água, di-hidrogênio ou gás rico em di-hidrogênio e dióxido de carbono ou gás rico em dióxido de carbono, um meio de dissolução do dióxido de carbono e do di-hidrogênio na água.

[047] Estas modalidades permitem otimizar a dissolução do dióxido de carbono e do di-hidrogênio na água a montante do recinto.

[048] Nas modalidades, a água recirculada é injetada pelo menos em parte no meio de dissolução.

[049] Nas modalidades, o reator objeto da presente invenção comporta um meio de dissolução do dióxido de carbono na água, por um lado, e um meio de dissolução do di-hidrogênio na água, por outro lado, cada meio de dissolução sendo alimentado com água pela água recirculada, a taxa de fluxo de recirculação de água em direção a cada meio de dissolução sendo comandada independentemente.

[050] Estas modalidades permitem de fazer variar a estequiometria de reagentes de metanação no interior do recinto graças à recirculação de água.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[051] Outras vantagens, objetivos e características particulares da invenção aparecerão a partir da descrição não limitativa que segue de, pelo menos, uma modalidade particular do reator objeto da presente invenção, com relação aos desenhos em anexo, em que:

[052] A figura 1 representa, esquematicamente, uma primeira modalidade particular do dispositivo objeto da presente invenção,

[053] A figura 2 representa, esquematicamente, uma segunda modalidade particular do dispositivo objeto da presente invenção,

[054] A figura 3 representa, esquematicamente, uma variante da primeira modalidade particular do dispositivo objeto da presente invenção e

[055] A figura 4 representa, esquematicamente, uma variante da segunda modalidade particular do dispositivo objeto da presente invenção.

DESCRIÇÃO DOS EXMEPLOS DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO

[056] A presente descrição é dada a título não limitativo, cada característica de uma modalidade podendo ser combinada com qualquer outra característica de qualquer outra modalidade de modo vantajoso.

[057] Deve ser notado, desde agora, que a figura não está em escala.

[058] É observado, na figura 1, que está fora de escala, uma vista esquemática de uma modalidade do reator 100 objeto da presente invenção. Este reator 100 de metanação biológica de di-hidrogênio ou de gás rico em hidrogênio e de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono com leito fluidizado, comporta: - um recinto 105 apresentando uma extremidade 107 longitudinal dita “baixa” e uma extremidade 106 longitudinal oposta dita “alta”, o dito recinto comportando, na proximidade da extremidade baixa: - uma entrada 110 primária de água, - uma entrada 110 de di-hidrogênio ou de gás rico em di- hidrogênio e - uma entrada 110 de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono e na proximidade da extremidade alta: - uma saída 115 para metano de síntese ou para um gás rico em metano de síntese e - uma saída 120 pelo menos para água e - um material 125 suporte não consumível pela reação de metanação para formar um leito de flora metanogênica, apresentando uma densidade superior à densidade da água, configurado para receber uma flora metanogênica.

[059] O recinto 105 é, por exemplo, formado de um volume fechado e estanque comportando aberturas para posicionar entradas ou saídas de reativos, de reagentes auxiliares, de nutrientes, de água ou de gás no volume fechado. Este volume fechado permite a constituição de um meio metanogênico para que a reação de metanação seja produzida.

[060] A forma, interna e/ou externa, do recinto 105 não é importante para a presente invenção desde que o recinto seja tornado estanque às fugas. Preferivelmente, o recinto 105 apresenta uma forme tubular, isto é, uma forma cilíndrica, podendo ser oblonga como representado em figura 1.

[061] Nas modalidades, a área da seção transversal de um volume 130 interior do recinto é uma função crescente ao longo do eixo longitudinal do recinto 105 indo da extremidade 107 baixa à extremidade 106 alta. Isto permite ao volume 130 interior apresentar um afunilamento limitando a capacidade do gás e da água injetados no recinto 105 de deslocar o material 125 suporte além de uma altura 101.

[062] Este recinto 105 apresenta uma extremidade 107 longitudinal baixa destinada a estar posicionada na proximidade do solo do local de posicionamento do reator 100.

[063] Este recinto 105 apresenta uma extremidade 106 longitudinal alta destinada a estar posicionada de modo distal do solo do local de posicionamento do reator 100.

[064] O recinto 105 comporta, na proximidade da extremidade baixa: - uma entrada 110 primária de água, - uma entrada 110 de di-hidrogênio ou de gás rico em hidrogênio e - uma entrada 110 de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono.

[065] Cada entrada 110 é, por exemplo, uma bocal de injeção. Todavia, qualquer órgão de injeção de fluido comumente utilizado em um reator de metanação biológica ou em um reator com leito fluidizado pode ser utilizado para realizar cada entrada 110.

[066] Cada entrada 110 no recinto 105 pode ser distinta. Cada entrada, 110 é, por exemplo, uma bocal de injeção, uma tubeira, um tubo perfurado, uma rede de tubulação equipada com coadores. Todavia, qualquer órgão de injeção de fluido comumente utilizado em um reator de metanação biológica pode ser utilizado para realizar cada entrada 110.

[067] Nas variantes, pelo menos duas entradas 110 são confundidas. Quando pelo menos a entrada 110 primária para água e pelo menos uma entrada entre a entrada 110 de di-hidrogênio ou de gás rico em di- hidrogênio e a entrada 110 de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono são confundidas, um meio, 165 e/ou 170, de dissolução de cada gás cuja entrada 110 é confundida com a entrada 110 primária para água é posicionado a montante da dita entrada confundida.

[068] O recinto 105 comporta, na proximidade da extremidade alta: - uma saída 115 para metano de síntese ou gás rico em metano de síntese e - pelo menos uma saída 120 para água.

[069] Cada saída, 115 e 120, é, por exemplo, uma abertura formada no recinto 105 ligada a uma canalização de transporte.

[070] Preferivelmente, a saída 120 para água está situada mais na proximidade da extremidade 107 baixa do recinto 105 que a saída 115 para metano de síntese.

[071] Nas variantes, a saída 120 é equipada com um dispositivo de separação para eliminar os rejeitos provenientes do desenvolvimento de microrganismos (ciclo, filtro, por exemplo). Este dispositivo pode estar seja a montante da saída portanto no reator, seja a jusante da saída, portanto fora do reator.

[072] Nas variantes, o reator 100 comporta tubos de troca de calor imersos no recinto 105 e atravessados por um fluido apresentando uma temperatura compatível com a temperatura de funcionamento nominal no interior do recinto 105 quando do funcionamento do reator 100. O fluido pode estar a uma temperatura mais elevada que o interior do recinto para permitir o reaquecimento ou a manutenção em temperatura do reator, ou então ele pode ser mais frio que o interior do recinto para permitir a manutenção em temperatura do reator ao evacuar um excesso de calor.

[073] Devido à estanqueidade do recinto 105 e do posicionamento das entradas e das saídas respectivas, o di-hidrogênio ou o gás rico em di- hidrogênio e o dióxido de carbono ou o gás rico em dióxido de carbono se deslocam verticalmente no recinto 105, da extremidade 107 baixa em direção à extremidade 106 alta, e atravessando, assim, o material 125 suporte durante este deslocamento. Durante esta travessia, a flora metanogênica transforma estes reagentes em metano, e o metano, gasoso, se desloca igualmente em direção à extremidade 106 alta do recinto 105, formando um céu gasoso na parte superior do recinto 105. Este céu gasoso é evacuado pela saída 115 para metano de síntese ou gás rico em metano de síntese.

[074] O material 125 suporte é, por exemplo, composto de esferas formadas de um material mais denso que a água. Estas esferas permitem o acúmulo da flora metanogênica, esta flora sendo formada pela família de microrganismos Archaea por exemplo. As esferas são feitas, por exemplo, de argila expandida, areia, alumina, polímeros reticulados, como os copolímeros de divinilbenzeno e de estireno ou divinilbenzeno e de ácido acrílico ou de metacrilato ou, ainda, polímeros balanceados.

[075] Este material suporte 125 permite o desenvolvimento de uma flora metanogênica concentrada ao nível do material suporte 125, este material suporte 125 se deslocando no recinto 105 pela fluidização induzida pela taxa de fluxo de gás e de água. A fluidização é principalmente induzida pela formação das bolhas de gás e por sua coalescência quando de sua ascensão na camada metanogênica.

[076] Assim, como é compreendido, o reator com leito fluidizado, como revelado acima, permite criar uma superfície de contato muito grande e uma agitação intensa entre os microrganismos e os gases reagentes sem precisar de agitador mecânico. Aliás, esta invenção permite igualmente se livrar de qualquer risco de colmatagem do leito pelo desenvolvimento bacteriano devido ao movimento permanente do material 125 suporte pelo fenômeno de fluidização podendo ser assimilado a um meio reacional perfeitamente misturado. Assim, é possível trabalhar em pressões elevadas, sem o risco de fuga de gás e sem o risco de defeito de um elemento mecânico sensível que constitui um agitador. Aliás, a utilização de um agitador, para assegurar um bom contato entre os microrganismos e os reagentes, necessita controlar perfeitamente a aeráulica do sistema. A presente invenção permite simplificar o projeto do reator de metanação biológica.

[077] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o reator 100 comporta pelo menos um transbordamento 135 de coleta de água posicionado a montante da saída 115 para metano e da saída 120 para água, orientada em direção à extremidade alta 106 do recinto 105, formando coletor para a água cruzando o transbordamento, a saída 120 para água estando posicionada neste coletor.

[078] O transbordamento 135 pode ser uma calha ou um canal ou qualquer outro sistema de coleta de água por gravidade.

[079] O transbordamento 135 é preferivelmente posicionado sobre o contorno interior do recinto 105 de modo a seguir, pelo menos em parte, o interior do perímetro da seção transversal do recinto 105. Este transbordamento 135 permite coletar o excesso de água no recinto 105.

[080] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o reator 100 comporta: - pelo menos uma bomba 140 de recirculação da água atravessando a saída 120 para água do recinto 105 e - pelo menos um trocador 145 térmico configurado para aquecer ou resfriar a água que sai do recinto, a água recirculada, em saída do trocador térmico, sendo pelo menos parcialmente reinjetada no recinto através de um conduto 150 de injeção.

[081] Cada bomba é, por exemplo, uma bomba centrífuga, pistão, a membrana, com parafuso, com engrenagem ou peristáltica.

[082] Cada trocador térmico é, por exemplo, de tipo de feixe tubular ou com placa.

[083] O trocador 145 térmico é controlado, por exemplo, em função de uma valor de temperatura captada no interior do recinto 105, ao nível do material 125 suporte por exemplo ou de sua temperatura de saída. Nas variantes, o reator 100 comporta um sensor de temperatura (não representado) posicionado no interior do recinto ou em um conduto ligando o trocador 145 térmico e a saída 120 primária para água.

[084] Quando uma pluralidade de trocadores térmicos é empregada, os trocadores podem estar posicionados em paralelo ou em série de acordo com as condições de operação desejadas pelo instalador do reator.

[085] Nas modalidades preferenciais, como ilustrado em figura 1, o reator 100 comporta uma saída 175 para água posicionada a montante da entrada 110 para água para evacuar a água recirculada de modo a regular o nível de água no recinto e/ou a taxa de fluxo de água entrando no recinto.

[086] Nas variantes, a água injetada no reator 100 é pré-aquecida ou pré-resfriada a uma temperatura determinada, esta temperatura podendo depender de uma temperatura captada pelo sensor de temperatura do reator 100 descrito acima.

[087] A água injetada apresenta uma temperatura adaptada à manutenção de uma temperatura, no recinto, permitindo o desenvolvimento da flore. Esta temperatura está, por exemplo, compreendida entre 30 e 70°C e de preferência entre 60 a 65°C. A água é injetada, preferivelmente, na temperatura a mais baixa possível, acima de 0°C permitindo a manutenção da temperatura de desenvolvimento da flora levando em conta as condições operatórias do reator.

[088] A água assim recirculada é fornecida na entrada 120 primária para água através do conduto 150 de injeção.

[089] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o reator 100 comporta um meio 155 de medição do nível de água no recinto e pelo menos uma evacuação 160 de água do reator, a abertura da evacuação sendo comandada em função do nível de água medido e de uma valor de ponto de ajuste.

[090] Quando o nível de água captada no recinto 105 é superior a um valor limite determinado de ponto de ajuste, a evacuação 160 é aberta, o que permite uma saída definitiva de água, evitando qualquer recirculação ligada à bomba 140.

[091] Nas modalidades, como a representada na figura 1, a água recirculada é injetada em um fluxo comportando pelo menos di-hidrogênio e/ou dióxido de carbono, a montante da entrada 110 para di-hidrogênio e/ou da entrada 110 para dióxido de carbono no recinto.

[092] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o recinto 105 comporta pelo menos uma entrada 110 para nutrientes e/ou reagentes adicionais e/ou de água.

[093] Em uma variante da primeira modalidade, como a representada na figura 3, o reator 300 comporta um sensor 305 de nível de água no recinto 105. A ultrapassagem de um nível de água predeterminado de ponto de ajusto provoca a programação de um comando de abertura de uma válvula 310 de evacuação de água do reator 300.

[094] Esta válvula 310 é ligada, por exemplo, a uma saída 315 de água dedicada do recinto 105.

[095] Alternativamente, quando o nível de água é inferior ao nível de água predeterminado de ponto de ajuste, um comando é programado para que a água seja injetada no recinto 105.

[096] A programação desses comandos pode ser feita pelo sensor 305, por um detector eletrônico de nível (não representado) associado ou por um circuito eletrônico de comando (não representado) do reator 300, por exemplo.

[097] Os nutrientes favorecem o desenvolvimento da flora metanogênica enquanto que os reagentes adicionais visam limitar algumas faltas de conformidade no meio reacional no interior do recinto 105. Estes reagentes adicionais comportam, por exemplo, reguladores de pH ou antiespumantes.

[098] Nas variantes, a entrada 165 é confundida com pelo menos uma das entradas para água 110, para di-hidrogênio e/ou para dióxido de carbono.

[099] A injeção de nutrientes no recinto reacional pode ser realizada em durações predeterminadas após a ativação do reator 100, por exemplo.

[100] A injeção de reagentes adicionais pode ser realizada em função da captura de valores de grandezas físicas no interior do recinto 105. Por exemplo, a injeção de um reativo regulador de pH pode ser comandada em função de um valor de pH medido no interior do recinto 105 ou da água cruzando o saída 120 primária para água.

[101] Nas modalidades, como a representada na figura 1, os nutrientes e/ou reagentes adicionais são injetados no conduto 150 de injeção em água recirculada.

[102] Nas modalidades, como a representada na figura 1, a entrada 110 para di-hidrogênio, a entrada para dióxido de carbono e a entrada primária de água são confundidas.

[103] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o reator 100 comporta, a montante da entrada 110 confundida de água, de di-hidrogênio e de dióxido de carbono, um meio, 165 ou 170, de dissolução do dióxido de carbono e do di-hidrogênio na água. Os nutrientes e/ou os reagentes e/ou a água de complemento podem ser injetados neste meio de dissolução, 165 e/ou 170.

[104] Cada meio, 165 e 170, de dissolução é, por exemplo, uma coluna de recheio, de pulverização, de borbulhamento ou qualquer outro dispositivo de dissolução a fim de dissolver um gás em um líquido.

[105] Cada meio, 165 e 170, de dissolução pode ser comum tanto a uma chegada de dióxido de carbono como a uma chegada de di-hidrogênio, estas chegadas sendo eventualmente confundidas.

[106] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o reator 100 comporta um meio, 165 e 170, de dissolução distinto para o dióxido de carbono, por um lado, e para o di-hidrogênio, por outro lado.

[107] A água recirculada é injetada pelo menos em parte no meio, 165 e 170, de dissolução se o reator 100 comporta um único tal meio, 165 ou 170, de dissolução. O fornecimento de água recirculada ao meio, 165 ou 170, de dissolução depende, por exemplo, de nível de água captada no meio, 165 ou 170, de dissolução ou de uma taxa de fluxo de gás entrando no dito meio, 165 ou 170, de dissolução.

[108] Se o reator 100 comporta um meio, 165 e 170, de dissolução distinto para cada gás, cada meio, 165 e 170, de dissolução pode ser alimentado com água recirculada proveniente de uma mesma saída 120 primária para água ou de saídas distintas, a água recirculada sendo distribuída entre os meios, 165 e 170, de dissolução e eventualmente um conduto de injeção direta no recinto se desviando de cada meio de dissolução.

[109] Nas modalidades, como a representada na figura 1, o reator 100 comporta pelo menos duas saídas 120 primárias para água e, para cada saída 120, pelo menos uma bomba 140 e pelo menos um trocador térmico 145. A água recirculada por uma primeira bomba 140 é injetada seja em um primeiro meio 165 de dissolução de dióxido de carbono na água, seja diretamente no recinto 105. A água recirculada por uma segunda bomba 140 é injetada seja em um segundo meio 170 de dissolução de di-hidrogênio na água, seja diretamente no recinto 105.

[110] Nestas modalidades, a taxa de fluxo de recirculação de água em direção a cada meio de dissolução é comandada independentemente. Cada taxa de fluxo é comandada, por exemplo, em função da taxa de fluxo de gás entrando no meio, 165 e 170, de dissolução e por uma valor de ponto de ajuste da taxa de fluxo total para ter uma fluidização correta do leito suporte.

[111] É observado, na figura 2, que está fora de escala, uma vista esquemática de uma modalidade do reator 200 objeto da presente invenção. Este reator 200 de metanação biológica de di-hidrogênio e de dióxido de carbono com leito fluidizado, comporta: - um recinto 105 apresentando uma extremidade 107 longitudinal dita “baixa” e uma extremidade 106 longitudinal oposta dita “alta”, o dito recinto comportando, na proximidade da extremidade baixa: - uma entrada 110 primária de água, - uma entrada 110 de di-hidrogênio ou de gás rico em di- hidrogênio e - uma entrada 110 de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono e na proximidade da extremidade alta: - uma saída 115 para metano de síntese ou para um gás rico em metano de síntese e - uma saída 120 para água e - um material 125 suporte não consumível para formar um leito de flora metanogênica, apresentando uma densidade superior à densidade da água, configurado para receber uma flora metanogênica.

[112] É observado na figura 2, em particular, um reator 200 idêntico ao reator 100 como descrito com relação à figura 1 que comporta, além disso, pelo menos um desvio de, pelo menos, um elemento entre: um trocador térmico 145 e/ou um meio, 165 ou 170, de dissolução.

[113] Em uma variante da segunda modalidade, como a representada na figura 4, o reator 400 comporta um sensor 405 de nível de água no recinto 105. A ultrapassagem de um nível de água predeterminado de ponto de ajuste provoca a programação de um comando de abertura de uma válvula 410 de evacuação de água do reator 400.

[114] Esta válvula 410 é ligada, por exemplo, a uma saída 415 de água dedicada do recinto 105.

[115] Alternativamente, quando o nível de água é inferior ao nível de água predeterminado de ponto de ajuste, um comando é programado para que a água seja injetada no recinto 105.

[116] A programação destes comandos pode ser realizada pelo sensor 405, por um detector eletrônico de nível (não representado) associado, ou por um circuito eletrônico de comando (não representado) do reator 400, por exemplo.

Claims (12)

1. REATOR (100, 200, 300, 400) DE METANAÇÃO BIOLÓGICA de di-hidrogênio ou de gás rico em di-hidrogênio e de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono com leito fluidizado, caracterizado pelo fato de que ele comporta: - um recinto (105) apresentando uma extremidade (107) longitudinal dita “baixa” e uma extremidade (106) longitudinal oposta dita “alta”, o dito recinto comportando, na proximidade da extremidade baixa: - uma entrada (110) primária de água, - uma entrada (110) de di-hidrogênio ou de gás rico em di- hidrogênio e - uma entrada (110) de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono e na proximidade da extremidade alta: - uma saída (115) para metano de síntese ou para um gás rico em metano de síntese e - uma saída (120) pelo menos para água e - um material (125) suporte não consumível pela reação de metanação para formar um leito de flora metanogênica, apresentando uma densidade superior à densidade da água, configurado para receber uma flora metanogênica.

2. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a área da seção transversal de um volume (130) interior do recinto é uma função crescente ao longo do eixo longitudinal do recinto (105) indo da extremidade (107) baixa à extremidade (106) alta.

3. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que comporta pelo menos um transbordamento (135) de coleta de água posicionado a montante da saída (115) para metano ou gás rico em metano e da saída (120) para água, orientado em direção à extremidade alta (106) do recinto (105), formando coletor para a água cruzando o transbordamento, a saída (120) para água estando posicionada neste coletor.

4. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que comporta: - pelo menos uma bomba (140) de recirculação da água atravessando a saída (120) para água do recinto (105) e - pelo menos um trocador (145) térmico configurado para aquecer ou resfriar a água que sai do recinto, a água recirculada, em saída do trocador térmico, sendo pelo menos parcialmente reinjetada no recinto através de um conduto (150) de injeção.

5. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que comporta um meio (155) de medição do nível de água no recinto e uma evacuação (160) de água do reator, a abertura da evacuação sendo comandada em função do nível de água medido.

6. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a água recirculada é injetada em um fluxo comportando pelo menos di-hidrogênio e/ou dióxido de carbono, a montante da entrada (110) para di-hidrogênio e/ou da entrada (110) para dióxido de carbono no recinto.

7. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o recinto (105) comporta uma entrada (110) para nutrientes e/ou reagentes adicionais e/ou água.

8. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 7 e uma das reivindicações 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que os nutrientes e/ou reagentes adicionais são injetados no conduto (150) de injeção em água recirculada.

9. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a entrada (110) para di- hidrogênio ou para gás rico em di-hidrogênio, a entrada para dióxido de carbono ou para gás rico em dióxido de carbono e a entrada primária de água são confundidas.

10. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que comporta, a montante da entrada (110) confundida de água, de di-hidrogênio ou de gás rico em di-hidrogênio e de dióxido de carbono ou de gás rico em dióxido de carbono, um meio (165) de dissolução do dióxido de carbono e do di-hidrogênio na água.

11. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 e 10, caracterizado pelo fato de que a água recirculada é injetada pelo menos em parte no meio (165) de dissolução.

12. REATOR (100, 200, 300, 400), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que comporta um meio (165) de dissolução do dióxido de carbono na água, por um lado, e um meio (170) de dissolução do di- hidrogênio na água, por outro lado, cada meio de dissolução sendo alimentado com água pela água recirculada, a taxa de fluxo de recirculação de água em direção a cada meio de dissolução sendo comandada independentemente.