BR9806849B1

BR9806849B1 - processo para remoção de contaminantes a partir de uma corrente de alimentação de água contendo contaminantes.

Info

Publication number: BR9806849B1
Application number: BRPI9806849-0A
Authority: BR
Inventors: Steve Kresnyak; Minoo Razzaghi; Robert Spiering
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1998-01-14
Publication date: 2011-06-28
Also published as: PL334682A1; CN1243449A; CA2274258A1; HK1025061A1; AU741195B2; PT963225E; NZ336165A; SK95499A3; ID23815A; JP2001501868A; ES2221145T3; DE69824154D1; CZ252699A3; EP0963225B1; ATE267634T1; CA2274258C; CZ296037B6; EP0963225A1; JP3526582B2; PL190692B1

Description

PROCESSO PARA REMOÇÃO DE CONTAMINANTES A PARTIR DE UMACORRENTE DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA CONTENDO CONTAMINANTES

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção é direcionada a um processo paradestilação de água altamente eficiente e a um aparelho paratal processo, e, mais especificamente, a presente invençãoé direcionada a um processo de destilação de água altamenteeficiente, o qual minimiza a contaminação e a incrustação dorespectivo equipamento operacional durante longos períodosde operação.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA

Falando-se em linhas gerais, destilação de água é umprocesso extremamente eficaz de vaporização de um destiladode água pura e de recuperação de um líquido concentrado quecontém uma enorme quantidade de componentes não voláteis.

Este processo pode ser um meio eficaz para se recuperar águapura limpa a partir de fontes contaminadas. Entretanto, taisprocessos de destilação de água possuem tipicamente uma sériede problemas sendo um deles, e não o menor, contaminação ouincrustação do aparelho com minerais ou outros componentesprovenientes do fluido que está sendo destilado. Compostosde incrustação comuns consistem em cálcio, magnésio e silício.

Contaminação, ou até uma extensão ainda maior, incrustaçãodas superfícies de transferência de calor possuem um efeitoprejudicial sobre a capacidade dos componentes em transferircalor, fazendo com que processos de destilação convencionaisse tornem inoperáveis.

Um outro problema comum que ocorre com processos dedestilação típicos de água consiste na exigência de altosníveis de consumo de energia. Sem um meio de se recuperarde modo eficaz a energia consumida, a energia necessária èequivalente ao calor latente de vaporização da água a umadeterminada pressão/temperatura. A destilação de águanestas condições não é comercialmente viável paraaplicações de tratamento de água.

A metodologia da técnica anterior dirigida para atecnologia da presente invenção, foi apresentada na patentenorte-americana No. 4.566.947 e na patente francesa No.2.484.979. Estas referências são referências gerais para aremoção de contaminantes por destilação ou outras técnicasde purificação e não são voltados para os problemas que sãosolucionados pela presente invenção.

Diversas variáveis devem ser levadas em consideraçãopara superar os problemas com processos de destilaçãoconvencional. As seguintes três equações descrevem asrelações de transferência de calor básicas dentro de umsistema de destilação de água:

<formula>formula see original document page 3</formula>

em que

Q = quantidade de calor transferido (kg m2 s~3)

U = coeficiente de transferência total de calor oucapacidade do sistema de transferir calor (kgs"3 K"1)

A= área superficial de transferência de calor(m2)

LMTD = log diferença da temperatura média ouacionamento térmico do sistema (K)

m = fluxo de massa de fluido no estado líquido oude vapor (kg s"1)

Cp = calor específico do fluido (kg s~3 m2 K"1)

T1,T2 = temperatura do fluido que entra ou sai dosistema (K)

L = calor latente de vaporização ou condensação(kg m2 s"2 kg"1) = m2 s~2

A fim de se obter um sistema de destilação eficiente,a quantidade de calor trocado e recuperado, Q, expressa nasequações citadas acima, deve ser maximizada, obedecendo aomesmo tempo aos limites práticos para as demais variáveis eimpedindo incrustações e contaminação. Para um dado fluidoe dinâmica de fluido dentro de um aparelho dado de troca decalor, as variáveis U, Cp e L são relativamenteinvariáveis. Portanto, deve ser dada uma consideraçãocuidadosa às variáveis A, QA"1, LMTD, m e Tl e T2 para sesuperar os problemas associados com a destilação de águacontaminada.

Para se superar completamente os problemas referentesà destilação de água contaminada e se eliminarincrustações, outros fatores essenciais devem serconsiderados além das equações básicas citadas acima:

• a velocidade à qual o calor é transferido dentrodo sistema de destilação, conhecido como o fluxo de calorou QA"1 (kg s"3);

• o nível de contaminantes no concentrado;

o ponto de ebulição final do concentrado emrelação à temperatura de saturação da corrente de vapor;

• o grau de super-saturação e o nível deprecipitação do concentrado; e

• o nível de vaporização da corrente de evaporação.Até o aparecimento da presente invenção, a maximizaçãoda quantidade de calor transferido e recuperado com umprocesso de destilação de água, sem a tendência decontaminação ou incrustações, não podia ser realizadodurante um período contínuo de longa duração.

Foi desenvolvido um processo que tanto economizaenergia como elimina os problemas de incrustaçõesencontrados anteriormente na destilação de água contaminadacom substâncias orgânicas, inorgânicas, metais, entreoutros.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL

A presente invenção é aplicável à técnica dadestilação.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

A presente invenção é construída sobre a associação dedois conceitos distintos, ambos já identificadosindividualmente na técnica anterior mas que não foramconfigurados de modo específico com o efeito sinérgico queresulta da presente invenção. Foi constatado queempregando-se um circuito de recompressão de vaporconvencional em conjunto com um circuito de transferência erecuperação de calor por convecção forçada de configuraçãoespecífica, podem ser obtidos resultados muito desejáveisem termos de maximização de transferência de calor,mantendo-se o circuito de convecção forçada desejável quenão conduza a incrustações em trocadores, problema este queé tipicamente encontrado em processos de destilação padrãoatuais.

Um objetivo da presente invenção consiste em se proporum processo eficiente melhorado para destilar água contendocompostos orgânicos, inorgânicos, metálicos ou outroscontaminantes com o resultado sendo uma fração de águapurificada desprovida de contaminantes que além disso nãoacarreta nenhuma formação de incrustações do aparelho de destilação.

Um outro objetivo da presente invenção é o de proporum processo de remoção de contaminantes de uma corrente dealimentação de fluido contendo contaminantes empregando umtrocador refervedor e um separador aquecido, caracterizadopelo fato do processo compreender as etapas de:

a) se prover uma corrente de alimentação;

b) se aquecer a corrente de alimentação em umaprimeira etapa para remover pelo menos parcialmente algunsdos contaminantes da corrente de alimentação e recuperarenergia de um concentrado e destilado formado peloaquecimento;

c) se aquecer a corrente de alimentação em uma segundaetapa de aquecimento no separador aquecido para gerar umafração de vapor e uma fração de contaminante de líquidoconcentrado;

d) se comprimir a fração de vapor proveniente da etapa

c) para gerar um diferencial de temperatura no trocadorrefervedor;

e)se fazer a fração de vapor entrar em contato com otrocador refervedor para prover um destilado condensado dotrocador refervedor;

f) se fazer circular pelo menos uma porção doconcentrado através do trocador refervedor e do separadoraquecido para manter uma razão de massa circulante para massa de vapor de aproximadamente 300 para aproximadamente2; e

g) se coletar o destilado condensado substancialmentedesprovido de contaminantes para impedir a formação deincrustações e a contaminação de superfícies aquecidas dotrocador refervedor e do separador aquecido.

Foi constatado que controlando-se de modo preciso arazão de massa circulante em uma faixa inferior a 3 00 aaproximadamente 2 vezes a da fração do vapor que está sendocomprimido, diversas vantagens desejáveis podem serproduzidas:

1. O concentrado circulante através do lado deevaporação do refervedor conterá uma fração de vaporcontrolada com precisão de aproximadamente 1% a 50% damassa do concentrado circulante;

2. Controlando-se com precisão esta fração de vapor, aelevação de temperatura do concentrado circulante permanecemuito pequena (de aproximadamente 0,56 K) e as superfíciesde troca de calor frias permanecem umedecidas, a umatemperatura próxima da do fluido circulante. Isto reduz orisco de contaminação destas superfícies;

3. Com esta fração de vapor baixa controlada, o fluidoconcentrado no interior do trocador é submetido a um fatorde concentração localizada adicional inferior a 1,1,impedindo uma precipitação localizada de compostosformadores de incrustações;

4. À medida que a fração de vapor aumenta e o fator deconcentração aumenta, à medida que atravessa o refervedor,as velocidades de corrente aumentam significativamente,reduzindo deste modo o risco de contaminação;

5. Permitindo uma fração controlada de vapor no fluidode evaporação, pode se obter uma transferênciasignificativa de calor através dos meios de calor latente,sem formar incrustações;

6. Como a elevação de temperatura do lado deevaporação do refervedor é mantida muito baixa, o LMTD dorefervedor é mantido, mantendo-se deste modo muito baixa aenergia de compressão; e

7. Ajustando-se o fluxo de calor, a temperatura dassuperfícies úmidas para a condensação e evaporação émantida próxima das condições de vapor d'água saturado. Otipo de ebulição experimentado variará de convecçãoessencialmente forçada até a ebulição nucleada estável dassuperfícies umedecidas.

Um objetivo da presente invenção é o de propor umprocesso para a remoção de contaminantes de uma corrente dealimentação contendo contaminantes empregando-se umseparador aquecido e um trocador de calor e impedindo acontaminação e a formação de incrustações no separador e notrocador de calor, caracterizado pelo fato do processocompreender:

a) se gerar uma fração de vapor da corrente dealimentação exposta ao separador aquecido substancialmentedesprovida de contaminantes e uma fração separadaconcentrada contendo contaminantes;

b) se comprimir a fração de vapor para elevar atemperatura da fração contendo contaminantes acima datemperatura do separador aquecido;

c) se fazer a fração de vapor entrar em contanto com otrocador de calor para formar um destilado condensado; e

d) se manter as superfícies de aquecimento doseparador aquecido e do trocador de calor pelo menos emcontato com a fração contendo contaminantes concentradafazendo circular continuamente a fração através doseparador e do trocador de calor numa razão de massacirculante para massa de vapor de aproximadamente 300 aaproximadamente 2 para impedir a formação de incrustações ea contaminação das superfícies de aquecimento.

Um outro objetivo da presente invenção é o de proporum processo de remoção de contaminantes de uma corrente de alimentação de fluido contendo contaminantes volatilizáveise não volatilizáveis empregando-se um trocador refervedore um separador aquecido, caracterizado pelo fato doprocesso compreender as etapas de:

a) se prover uma corrente de alimentação;

b) se aquecer a corrente de alimentação em uma

primeira etapa para remover pelo menos parcialmente algunsdos contaminantes da corrente de alimentação e recuperar aenergia de um concentrado e destilado gerado peloaquecimento;

c) se aquecer a corrente de alimentação em uma segundaetapa de aquecimento no separador aquecido para gerar umafração de vapor e uma fração líquida concentrada contendocontaminantes;

d) se fazer a fração de vapor atravessar uma coluna de destilação enquanto se encontra em contato com o refluxo dedestilado da fração de recuperação;

e) se comprimir a fração de vapor para gerar umdiferencial de temperatura no trocador refervedor;

f) se fazer a fração de vapor entrar em contato com o trocador refervedor para prover um destilado condensado dotrocador refervedor;

g) se fazer recircular uma porção do destiladocondensado para a coluna de destilação em forma de refluxode destilado;

h) se fazer circular pelo menos uma porção doconcentrado através do trocador refervedor e do separadoraquecido para manter uma razão de massa circulante paramassa de vapor de aproximadamente 3 00 para aproximadamente2; e

i) se coletar o destilado condensado substancialmentedesprovido de contaminantes.

Em relação ao aparelho, um outro objetivo da presenteinvenção é o de se prover um aparelho de tratamento defluido para o tratamento de uma corrente de alimentação

contendo pelo menos um contaminante para produzir umefluente isento do citado um contaminante, caracterizadopelo fato do aparelho compreender, em combinação:

meios de recompressão de vapor incluindo primeirosmeios de aquecimento para o aquecimento da corrente dealimentação;

meios de separador aquecido em comunicação por fluidocom os primeiros meios de aquecimento para formar umafração de vapor e uma fração concentrada;

meios de compressor para a compressão da fração devapor;

meios de trocador de calor em comunicação por fluidocom os meios de compressor para recuperar o calor latente apartir do vapor condensado; e

um circuito de circulação forçada incluindo:meios de bomba;meios de trocador de calor, meios de bomba emcomunicação por fluido entre os meios de separador aquecidoe os meios de trocador de calor;

meios de comunicação por fluido entre os meios detrocador de calor e os meios de separador aquecido formandoum circuito de circulação forçada;

os meios de bomba para fazer variar de modoseletivo uma velocidade de circulação do fluido através dosmeios de trocador para fazer variar de modo seletivo aquantidade da fração de vapor através dos meios detrocador.

Em linhas gerais, em uma modalidade possível, faz-se aágua destilada se evaporar e faz-se a mesma atravessar umchumaço de filtro para remover qualquer água arrastadaantes de entrar no compressor. O compressor eleva a pressãoe temperatura da corrente de vapor acima das do separadoraquecido para permitir uma transferência efetiva de caloratravés do trocador de calor do refervedor. A corrente devapor subseqüentemente entra no refervedor onde ela éresfriada e condensada para destilar. A energia deaquecimento é transferida para o concentrado circulanteproveniente do separador aquecido onde, pelo controle darazão da massa do concentrado circulante para a da correntede vapor, mantida numa faixa desde abaixo de 300 atépróximo de 2, gera-se menos de 50% de vapor, maisprecisamente menos de 10%, na corrente de concentradocirculante. Esta fase de vapor absorve o calor transferidopelo calor latente de vaporização, não permitindosimultaneamente que a temperatura se eleve no concentradocirculado de mais de aproximadamente 0,56 Κ. A águadestilada limpa, à temperatura e pressão de condensação,passa através do pré-aquecedor para recuperar uma porção decalor considerável do sistema para a corrente dealimentação que entra. Simultaneamente, uma porção dacorrente de concentrado é removida do separador aquecidopara controlar a concentração desejada de contaminantes.

Faz-se passar a corrente de descarga de concentrado àtemperatura e pressão do separador aquecido, através de umpré-aquecedor para aplicar a energia de calor considerávelrestante à corrente de alimentação. Técnicas adicionais depré-tratamento e pós-tratamento podem ser empregadas noprocesso tanto na forma de bateladas como na continua pararemover ou segregar contaminantes durante a operação dedestilação, podendo ser usados processos de controle de pHpara ionizar os contaminantes voláteis ou alterar condiçõesde solubilidade no concentrado para aperfeiçoar ainda maiso processo de destilação objeto da presente invenção.

A água destilada recuperada pode ser controlada até umnível de pureza e nível de temperatura tais que permitamque seja reutilizada como água de processo, reutilizadacomo água destilada ou liberada nas vias aquáticas naturaiscorrespondendo ou excedendo praticamente todos os padrõesexigidos pelo meio ambiente para a qualidade da água.

Em termos de amplitude deste processo, o mesmo poderiaser facilmente empregado para descontaminar água processadaindustrial, tal como a de uma refinaria, proveniente daindústria petroquímica, da de polpa e papel, daalimentícia, da de mineração, automotiva/outros transportese das indústrias manufatoras. Além disso são cogitadasaplicações para água lixiviada de aterros, dessalinização,recuperação de lençóis freáticos, limpeza de águas depoços, recuperação de lagoas, recuperação de águas servidasde campos de petróleo, assim como as que produzem qualquerágua de alimentação de caldeiras, e concentrandocomponentes valiosos provenientes de correntes diluídas.Esta relação não é absolutamente exaustiva, servindosomente como exemplo.

Tendo deste modo sido descrita a presente invenção,far-se-á agora referência aos desenhos apensos que ilustramas modalidades preferidas.

DESCRIÇÃO SUCINTA DOS DESENHOS

A Figura 1 é uma ilustração esquemática do processogeral de acordo com uma das modalidades da invençãodescrita;

a Figura 2 é uma modalidade alternativa da Figura 1;

a Figura 3 é uma outra modalidade alternativa daFigura 1;

a Figura 4 ilustra, em uma forma esquemática ascondições típicas de pressão e temperatura envolvendo oscomponentes de evaporação;

a Figura 5 é uma curva de condensação/evaporação deprocesso para o sistema de trocador refervedor;

a Figura 6 ilustra a forma esquemática do padrão defluxo para o trocador de calor refervedor placa/placa;

a Figura 7 é um gráfico ilustrando o nível devaporização no refervedor, ocorrendo no fluido circulanteem relação à razão de massa de fluido circulante para massade vapor;

a Figura 8 é um quadro ilustrando o efeito resultantede concentração localizada no refervedor dependendo defrações de vapor variáveis; e

a Figura 9 é um gráfico mostrando os dados de testeobtidos de uma unidade piloto de destilação.

Números análogos empregados no texto indicam elementosanálogos.

MODOS DE SE COLOCAR EM PRÁTICA A INVENÇÃO

Com referência agora à Figura 1, é mostrado um exemplode uma modalidade da presente invenção.

Uma corrente de alimentação de água contaminada,indicada em linhas gerais pelo número 10 é introduzida emuma etapa de pré-tratamento, indicada em linhas gerais por12 para a remoção de substâncias insolúveis, voláteis e/oupara conduzir outras etapas de pH ou de condicionamentopara a preparação da corrente de alimentação 10. Oscomponentes voláteis são ventilados fora da corrente dealimentação em 14, enquanto que os componentes menosvoláteis são descarregados da corrente de alimentação em16. A corrente de alimentação pré-tratada que sai de 12 éem seguida conduzida para um pré-aquecedor 18 para seelevar a temperatura da corrente de alimentação paraacentuar a recuperação do calor perceptível para introduçãono separador aquecido 20. A corrente de alimentação podeser dividida em uma multiplicidade de correntes e serpassada através de outros pré-aquecedores secundários derecuperação de calor perceptível para maximizar o potencialde recuperação plena da unidade. Tais arranjos serãoobservados pelos peritos na técnica. Os pré-aquecedoresmúltiplos podem ser configurados como um único pré-aquecedor de serviços múltiplos ou como unidades separadasconforme indicado por 18 e 26. As correntes de alimentaçãoseparadas são recombinadas e aquecidas a temperaturaspróximas da do separador aquecido, antes de penetrarem noseparador aquecido 20. Se for desejado a corrente dealimentação pode ser também introduzida na corrente decirculação forçada para criar um efeito de diluição localno refervedor. O separador aquecido pode compreender umaunidade de separação múltipla, tal como um separador deciclone. A seção inferior, indicada em linhas gerais pelonúmero 22, tem uma ação de ciclone para suspender omaterial sólido no concentrado e descarregar o que sedenomina descarga ou concentrado, conforme indicado pelalinha 24. A velocidade da descarga 24, contínua ou debateladas, controla a concentração de componentes noseparador aquecido 20, regulando deste modo o grau desaturação do concentrado, o grau de supersaturação, asubseqüente precipitação de sólidos e a temperatura deebulição no separador aquecido 20. Faz-se passar a descarga24, à temperatura do separador aquecido 20 através do pré-aquecedor secundário 26 para recuperar o calor para acorrente de alimentação através da linha 28. A corrente dedescarga 24 é reduzida para uma temperatura deaproximadamente 257,04 K para se aproximar da corrente dealimentação em 22.

A seção superior do separador aquecido 20, contendo amaior parte do vapor d'água saturado, é destinada àseparação de vapor/líquido e pode conter taiscaracterísticas como um chumaço de filtro (não mostrado)para fazer as gotículas líquidas provenientes da correntede vapor se juntarem. O vapor que sai do separador aquecido20 e indicado em linhas gerais pela linha 30 constitui umdestilado de qualidade do ponto de vista do meio ambiente edependendo dos componentes presentes na corrente dealimentação, pode compreender água potável ou água dealimentação da qualidade de caldeiras. O vapor étransferido para o compressor 32 para elevar a pressão etemperatura da corrente de vapor acima da temperatura doseparador aquecido 20. A corrente de vapor pode seencontrar a qualquer pressão quando sai do separadoraquecido, inclusive a vácuo. Este vapor é principalmentesaturado nas condições do separador aquecido 20, no entantoele pode se tornar super-saturado se o concentrado contivercomponentes a uma concentração suficiente para elevar oponto de ebulição do vapor. Este conceito é conhecido comoa elevação do ponto de ebulição ou BPR e deve sercompreendido de modo que a compressão possa seradequadamente compensada. A energia adicional aplicada àcorrente de vapor estabelece o LMTD necessário ouacionamento térmico necessário para efetuar a transferênciade calor no trocador de calor refervedor, indicado emlinhas gerais com o número 34.

O compressor ou exaustor, indicado pelo número 32 podeser qualquer dispositivo conhecido dos peritos na técnicaque possa induzir uma elevação de 2,1 χ IO4 a 6,9 χ IO4 kgm"1 s~2 no vapor e impelir a massa de vapor. A coluna realexigida do compressor 32 é especificamente determinada paracada unidade pelas condições de evaporação no separadoraquecido 20 e o LMTD necessário para o refervedor 34. Ovapor que sai do compressor 32 é primariamente vapor d'águasobre-aquecido. O grau de sobre-aquecimento depende dapressão de descarga e da eficiência do dispositivocompressor 32.

O trocador refervedor 34 funciona para condensar ovapor comprimido recebido do compressor 32 em destiladodrenando do refervedor 34 através do receptor decondensado, indicado pelo número 36. Esta etapa aprisiona osobre-calor e o calor latente da corrente de vapor eacolhe-os por meio de acionamento térmico dentro dacorrente de circulação de concentrado indicada pelo número38. O destilado acumulado no receptor 36 geralmente élíquido saturado a condições específicas de temperatura epressão. O calor adicional perceptível contido no destiladoé recuperado fazendo-se passar o destilado quenteutilizando-se a bomba 40 de volta para o pré-aquecedor 18,onde a corrente que sai é resfriada para aproximadamente257,04 K no interior da corrente de alimentação que entraproveniente de 12.

Foi constatado que, utilizando-se uma bomba decirculação de concentrado 42 para se fazer circular umaquantidade prescrita de concentrado do separador aquecido20 através do trocador refervedor 34, podem ser conseguidosresultados significativos sem se correr o risco decontaminar sobre as superfícies do trocador ou formarincrustações sobre elas. A quantidade de massa deconcentrado circulante é especificamente selecionada parase encontrar em uma faixa inferior a de 300 aaproximadamente 2, gerando deste modo, de modo preciso umafração de vapor de aproximadamente 1% a menos de 50% nacorrente 38 que sai do trocador refervedor 34. Pode sefazer variar este fluxo de massa e se ajustar ao parâmetrodesejado utilizando-se um dispositivo de controle indicadoem linhas gerais pelo número 44. Mais especificamente, oalvo desejado para a fração de vapor na corrente decirculação de saída 38, quando se consideram as correntesde alimentação mais contaminadas é inferior a 10% da fraçãode vapor. O vapor gerado na corrente 38 é equivalente emmassa à quantidade que se faz passar através do compressore que se recupera em forma de destilado em 46. O vaporcriado no trocador refervedor 34, mesmo que seja muitopequeno em fração de massa (aproximadamente 1 a 10% damassa circulante), absorve a maioria de calor transferidodo lado de condensação do refervedor 34. A seleção dafração de vapor e a velocidade de circulação do concentradoé um fator importante na redução da contaminação eincrustações. Até um ponto considerável, este parâmetro é omais importante no estabelecimento de uma elevação detemperatura muito pequena no fluido de circulação deconcentrado necessário para manter um LMTD efetivo sem umainterseção de temperaturas no trocador refervedor 34.

Qualquer elevação na temperatura anula rapidamente o LMTD ea transferência de calor é interrompida. Se a pressão doconcentrado circulante for aumentada no refervedor de modotal que o fluido não pudesse criar algum vapor, atemperatura subiria de uma absorção de calor perceptívelaté não existir mais nenhum LMTD e deste modo atransferência de calor cairia. A retro-pressão do sistemade circulação de concentrado, consistindo de perdas decoluna estática e por fricção, é projetada para ser mínima.

Na verdade a retro-pressão é principalmente igual à perdade coluna estática do trocador vertical, à medida que aqueda de pressão dinâmica do trocador é minimizada. O fluxode concentrado circulante é em seguida selecionado de modoa se atingir aproximadamente 1% a 10% de fração de vapor nalinha de saída 38. A elevação de temperatura resultante émuito pequena e o LMTD permanece no seu valor projetado.

Referindo-se agora à Figura 2, é mostrado um plano deprocesso alternativo que permite que a descarga 24proveniente do separador aquecido 20 seja ajustada até queo efeito de concentração total ou fator de concentração(CF) do sistema crie um concentrado supersaturado emrelação a um ou mais componentes para provocar aprecipitação. À medida que os sólidos se formam e seacumulam no separador aquecido 20, faz-se passar a descarga24 através de um dispositivo de separação sólidos/líquidos,indicado em linhas gerais pelo número 50 para a remoção dossólidos ou lodo. Como uma alternativa, o dispositivo deseparação de sólidos/líquidos 50 pode ser localizado entrea bomba de refervedor 42 e o trocador 34, em uma disposiçãode turbilhão ou de fluxo total. 0 líquido recuperado éreciclado de volta para o separador aquecido 20 conformeindicado em 52 e uma porção que representa a quantidade dedescarga é subseqüentemente passada através do pré-aquecedor 26 para a recuperação do calor e resfriada paraaproximadamente 257,04 Κ. 0 dispositivo de separação desólidos/líquidos 50 pode assumir qualquer forma, tal comode hidrociclone, sedimentador centrífugo, sedimentador porgravidade, centrífuga, separador por decantação, conhecidospelos peritos na técnica. Este processo é especialmenteatraente quando o principal objetivo é o de recuperar umcomposto em forma de sólido ou quando o composto tem umvalor comercial significativo.Com referência à Figura 3, é mostrada uma outramodalidade de processo pela qual a corrente de vapor podeconter uma porção de um contaminante específico provenienteda corrente de alimentação. 0 separador aquecido 20 éequipado com uma coluna de fracionamento 54 à frente docompressor 32 e da linha de sucção de compressor 30. Acoluna 54 é usada para fracionar e esfregar fora ocontaminante utilizando estágios múltiplos em conjunto comrefluxo com água fresca limpa, indicado pelo número 56. O refluxo pode ser extraído ou a montante ou a jusante dopré-aquecedor 18 ou ser uma combinação, dependendo datemperatura de refluxo necessária. Esta modalidade deprocesso é atraente quando a corrente de alimentaçãocontém, por exemplo, substâncias voláteis tais como hidrocarbonetos, glicóis, amônia, etc.

A Figura 4 ilustra as relações de pressão etemperatura típicas de diversos correntes que cercam aporção de evaporação do processo. As referência numéricassão feitas das Figuras 1 a 3 para esta discussão. Embora osparâmetros específicos de processo sejam mostrados a títulode exemplo, eles podem ser modificados para se adaptar aqualquer aplicação de destilação específica. Este gráficoesquemático mostra as condições baseadas em um fluido quenão tem nenhuma elevação do ponto de ebulição e com umseparador aquecido 20 operando a uma pressão ligeiramenteacima da atmosférica, 1,1 χ IO5 kg m"1 s~2 e 373,43 Κ. Aelevação da temperatura do concentrado circulante éinferior a 0,56 K para uma queda de pressão de 0,17 χ IO5kg Itf1 s~2. A fração de vapor da corrente circulante é de aproximadamente 10%. As condições que cercam o trocadorrefervedor 34 podem ser representadas em uma curva deevaporação/condensação conforme mostrado na Figura 5. Dolado de condensação do trocador, a corrente sobreaquecidaentra no ponto C a aproximadamente 3 94,26 K e 1,482 χ 10^5kg m"1 s~2 e é condensada na pressão de saturação do vaporno ponto C' a aproximadamente 384,15 K e 1,4 75 χ 10^5 kg m"1s~2. Esta zona é em geral denominada como a zona de des-superaquecimento e constitui aproximadamente 2% da áreasuperficial do trocador, sendo a zona restante a área pelaqual o calor latente de condensação é liberado. Uma ligeiraqueda de pressão e de temperatura ocorrerá através dotrocador 34 devido à queda de pressão inerente do trocadorde calor. As condições de saída se tornam aproximadamente384,04 K e 1,475 χ 10^5 kg m"1 s"2. A temperatura superficialdo lado de condensação, será inferior à temperatura desaturação do vapor que entra, formando deste modo umapelícula de condensado sobre a superfície de troca decalor. A transferência de calor deste modo derivará dacondição da parede úmida manter a temperatura efetiva dapelícula à temperatura de saturação de vapor. O destiladoserá drenado do trocador para o receptor de condensador 36no ponto D, mantendo o refervedor livre de líquido eexpondo toda a superfície do trocador de calor ao processode condensação.

Do lado de evaporação, o concentrado entra notrocador contra a corrente do fundo no ponto A aaproximadamente 373,43 K e 1,282 χ 10^5 kg m"1 s"2 depois dabomba de circulação 42. A velocidade de circulação éajustada de modo que a razão de massa de concentrado é pelomenos 10 vezes maior do que a velocidade do vapor. Atemperatura do fluido concentrado começa a subir até oponto A', e em seguida se estabiliza a aproximadamente373,82 K quando o ponto B é atingido onde a coluna estáticaé superada e a pressão cai para 1,110 χ IO5 kg m"1 s"2.

Enquanto o concentrado sobe no trocador 34, o vapor começaa se formar por convecção forçada, absorvendo o calorlatente transferido. Aumentando-se a massa de fluido dolado de evaporação até a razão de massa circulante paramassa de vapor incidir na faixa desejada, o efeito deebulição é controlado dentro das regiões de convecçãoforçada e de ebulição nucleada estável. Devido ao fluxo dealta massa de líquido, a superfície de transferência decalor permanece umedecida a uma temperatura equivalente àtemperatura saturada do vapor recém-formado. Assegurando-seainda mais que a velocidade de fluxo (QA"1) para o trocadorse encontra abaixo de 1,89 χ IO4 kg s"3, a elevação detemperatura para o lado de evaporação pode ser mantidaabaixo de 0,56 K e a superfície de película úmida émantida, eliminando deste modo o risco de incrustações. Sea velocidade de fluxo for demasiado alta, a queda depressão instantânea de aceleração de vapor temporariamenteexcede a coluna estática disponível, resultando em umrefluxo temporário instável e em uma possível desintegraçãoda superfície de transferência de calor umedecida. Istopode resultar em contaminação da superfície detransferência de calor. Abaixo de velocidades de fluxo decalor de 1,89 χ IO4 kg s"3, e dentro da faixa de massa deconcentrado circulante para massa de vapor inferiores a300, existe uma região em que líquido e o vapor podemcoexistir em uma operação estável e manter uma superfíciede transferência de calor completamente umedecida do ladoda evaporação do refervedor sem haver o risco decontaminação ou incrustações.

A referência aos pontos A a D é também encontrada naFigura 6.

A Figura 6 ilustra uma vista em alçado de um trocadorde transferência de calor extremamente eficiente 58,conhecido pelos peritos na técnica como um trocador decalor de placas e quadros, em que carreiras de placasunidas, verticalmente empilhadas 60 são dispostas entredois quadros sólidos 62 e 64. Estes dispositivos são bemconhecidos pelo seu tamanho compacto e capacidade de tervalores U muito altos ou coeficientes de transferência decalor total muito altos. Este tipo de trocador, disposto emforma de uma configuração de passada única, de fluxo contraa corrente é bem adequado para a presente invenção eoferece especificamente os seguintes benefícios para se porem prática a presente invenção:

1. O trocador do tipo de placas oferece uma colunaestática fixa baixa e uma queda de pressão muito pequena no

lado de evaporação ou de fluido circulante concentrado,proporcionando um coeficiente de transferência de calorrelativamente alto.

2. O fluxo de calor pode ser facilmente ajustadoacrescentando-se mais superfície ou mais placas em umquadro dado;

3. O lado de condensação de um projeto de quadro eplacas é de drenagem livre e tem um pequena queda depressão, mantendo ao mesmo tempo uma coeficiente detransferência de calor relativamente alto.

4. O coeficiente de transferência de calorextremamente eficaz permite que as temperaturas dassuperfícies se encontrem bem próximas de ambas astemperaturas da corrente de fluido, reduzindo o risco decontaminação.

5. A grande turbulência e as velocidades de fluidoequivalentes altas resultam em baixa contaminação e mantémos sólidos em suspensão homogênea à medida que elesatravessam o trocador;

6. Não existem pontos frios ou quentes e nenhumaregião de fluxo morto inerentes ao projeto de placas equadros reduzindo o risco de contaminação ou incrustações.

7. As placas são lisas e bem polidas reduzindo orisco de contaminação; e

8.0 tempo de residência curto do fluido reduz orisco de precipitação, uma vez que o tempo é insuficientepara se atingir o equilíbrio e para gerar incrustações doscontaminantes.

Em termos mais gerais, o trocador de calor do tipo de placas é muito compacto e pode ser provido economicamentecom placas de ligas exóticas para resistir ao rachamentopor corrosão por fluido e por corrosão por esforço, que sãocomuns em aplicações do tipo da dessalinização. Outrostipos de trocadores, de casco e tubo, de dupla tubulação,de tubos com aletas, do tipo em espiral, podem também serconsiderados pelos peritos na técnica, desde que sejammantidas as exigências específicas da presente invenção.

A Figura 7 é um gráfico mostrando a faixa de projetopreferido, indicada em conjunto por 66, para a razão defluxo de massa de concentrado circulante para o fluxo damassa de vapor. A faixa desejada de aproximadamente 10 a100 resulta em uma fração de vapor de menos de 10% aaproximadamente 1%.

A Figura 8 é um gráfico mostrando o impactoresultante sobre o fator de concentração local CFTROCAdor emrelação ao risco de subseqüente supersaturação eprecipitação dentro do trocador de calor. Geralmente, ofator de concentração do sistema pode ser expresso doseguinte modo:

CFtotal = CFdescarga . CFTROcador

A concentração que atinge um estado constante noseparador aquecido resulta da remoção constante do vapor emequilíbrio com uma descarga contínua do separador aquecido.

O valor do CFTOTAl é tipicamente da ordem de menos de 5 aaproximadamente 20 vezes, dependendo do nível e do tipo doscontaminantes na corrente de alimentação. Também dependendodo nível da massa de vapor que sai do refervedor, édeterminado o CFTROcador resultante (entre 1,0 e 1,1) e avelocidade de descarga é ajustada de modo que os níveis deconcentração desejados não excedam os presentes norefervedor. Um exemplo típico pode ser mostrado do seguintemodo:

• A corrente de alimentação contém 20.000 TDS, e édesejável que no concentrado não se exceda 100.000 TDS.

Determina-se que a razão de massa mais eficaz seráde 20, resultando em uma fração de vapor de 5%, de acordocom a Figura 7.

• O CFtrocador é localizado na Figura 8 como sendo deaproximadamente 1,07. O CFtotal é calculado como sendo(1000.000/20.000) = 5.• O CFdescarga é calculado como sendo (5/1,07) = 4,7

• Conseqüentemente a velocidade de descarga corrigidaserá (1/4,7) = 21 % da corrente de alimentação de entrada.

Conseqüentemente utilizando-se um processo derecompressão de vapor em combinação com um sistema detransferência de calor por convecção forçada, e seguindo-seas etapas de se selecionar cuidadosamente a razão de fluxode massa do sistema de circulação para o fluxo de massa dacorrente de vapor de modo a se encontrar abaixo de 3 00 aaproximadamente 2, mais especificamente uma razão deaproximadamente 10 a 100, selecionando-se uma velocidade defluxo de calor inferior a 1,89 χ IO4 kg s~3, e controlandouma corrente de descarga para se atingir o efeito deconcentração desejado (CF), o resultado é uma unidade dedestilação de água muito eficiente que não é suscetível acontaminação ou incrustações durante longos períodos deoperação. Combinando-se os dois planos de processoconhecidos com uma configuração de trocador de calorespecífica e mais especialmente projetada com uma razão decirculação de concentrado especificada não ensinado pelatécnica anterior, permite que a presente invenção proponhaum processo eficaz de destilação livre de contaminantes,sem risco de contaminação ou incrustações.

Os exemplo abaixo servem para ilustrar a invenção.

EXEMPLO 1

Este cálculo de exemplo é um meio de se demonstrar oequilíbrio de calor que cerca o trocador refervedor. Esteexemplo representa uma base de projeto de uma unidade dedestilação projetada para recuperar 200,63 m3 por dia dedestilado limpo de uma fonte contaminada.<table>table see original document page 27</column></row><table><table>table see original document page 28</column></row><table>

Este exemplo ilustra que a fração de vapor de 10%criada no fluido circulante captará 99% do calortransferido do lado de condensação e elevará a temperaturade fluido circulante de menos de 0,56 K, mesmo que haja 10vezes a massa de líquido circulante.

Uma unidade protótipo foi fabricada projetada pararecuperar 37,9 m3 por dia de destilado limpo de uma lagoade lixiviado proveniente de aterro. A unidade foi testadadurante um período prolongado e os dados de teste dedesempenho detalhados foram coletados durante este período.

A unidade piloto operou com sucesso durante um período de 4meses e depois de inspeção a contaminação foi desprezívelno refervedor e no separador aquecido. O equipamentoutilizado no teste piloto inclui um Compressor ExaustorSpencer TM Modelo GF 36204E fornecendo uma pressão dediferencial de 2,1 IO4 kg m"1 s"2. Foram usados durante oteste trocadores de calor de placas e quadros padrão depassada única.

EXEMPLO 2As características de carga de lixiviado, descarga deconcentrado e do efluente tratado foram as seguintes:

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Observação (1) ajuste de pH no pré-tratamento paracontrolar amônia.

Observação (2) os valores são apresentados comovalores médios durante o período de teste.

O efluente apresenta um tão alto grau de qualidadeque ele pode ser despejado em águas superficiais,encontrando acima de praticamente todas as exigênciasregulamentares. O consumo de energia pelo compressor foimedido e registrado para diversos pontos de desempenho inclusive condições de desligamento de compressor ereciclagem. O consumo de energia medida foi colocado emgráfico na Figura 9 como consumo de energia por 3,79 m3para as diversas correntes de destilado. A curva de dadosde teste foi corrigida para as ineficiências de compressor para uma faixa de velocidades de fluxo e um valor deconsumo de energia uniforme de 1,8 χ IO7 kg m2 s~2/3,785 m3foi derivado. Pressupondo-se as eficiências padrão decompressor como sendo de aproximadamente 77%, o consumo deenergia necessário para a unidade de destilação de altaeficiência é de aproximadamente 2,34 χ IO7 kg m2 s"2/3,785m3. A corrente de descarga tinha uma média deaproximadamente 10% da corrente de alimentação durante todoo período de teste resultando em um fator de concentraçãomédio 4 (CF) de 10. Uma inspeção visual foi completadadepois dos testes não acusando nenhum sinal de incrustaçõesno separador aquecido nem no equipamento do refervedor.

Em termos de aparelhagem que pode ser empregada nosistema, será facilmente observado pelos peritos na técnicaquais os exemplos do separadores aquecidos, pré-aquecedores, refervedor, bombas, compressores/exaustores,etc, serão os mais desejáveis. Outras modificações podemser facilmente consideradas sem que se afaste do âmbito dainvenção.

Embora as modalidades da presente invenção tenhamsido descritas acima, ela não é limitada a elas e seráaparente aos peritos na técnica que numerosas modificaçõesfazem parte da presente invenção na medida em que elas nãose afastem do espírito, natureza e âmbito da invençãoreivindicada e descrita.

Claims

1. Processo para remoção de contaminantes a partir deuma corrente de alimentação (10) contendo contaminantesempregando-se um separador aquecido (20) e um trocador decalor, dito processo compreendendo as etapas de:a) prover uma corrente de alimentação de águacontaminada;b) gerar uma fração de vapor do referido separadoraquecido (20), vapor este, desprovido de contaminantes euma fração líquida separada de contaminantes concentrados;c) comprimir a referida fração de vapor provenienteda etapa anterior para elevar a temperatura da dita fraçãode vapor acima da temperatura do referido separadoraquecido (20);d) fazer a referida fração de vapor entrar em contatocom o referido trocador de calor refervedor para prover umdestilado condensado do trocador refervedor;e) manter as superfícies de aquecimento do ditoseparador aquecido (20) e trocador de calor em contato com adita fração de contaminantes concentrados através dacirculação contínua da dita fração de contaminantesconcentrados através do referido separador aquecido (20) edo dito trocador de calor;f) remover uma porção da fração de contaminantesconcentrados a partir do referido separador aquecido (20) ;g) coletar o destilado condensado desprovido decontaminantes ;sendo o processo, caracterizado por incluir ainda aetapa de:h) manter a razão de massa circulante do concentradode contaminantes em relação à massa de vapor através dotrocador refervedor e do separador aquecido de 300 a 2,sendo esta massa de vapor igual à massa de destiladorecuperada a partir da fração de vapor comprimida.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de incluir ainda as etapas de:pré-aquecer a referida corrente de alimentação (10)antes de gerar a referida fração de vapor na etapa b); eo dito trocador de calor ser um trocador refervedor(34) e a etapa c) incluir ainda manutenção de regiões deebulição nucleada estável sobre as superfícies deaquecimento do dito trocador refervedor (34) pelo que umasuperfície molhada é mantida no referido trocador refervedor(34).

3. Processo, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que, subseqüente à manutenção deebulição nucleada estável, o referido processo inclui aindaas etapas de:i) supersaturar a referida fração de contaminantesconcentrados de maneira a precipitar pelo menos um sólidoselecionado;ii) filtrar o referido concentrado; eiii) recuperar pelo menos um referido sólidoselecionado.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3,caracterizado pelo fato da dita corrente de alimentação(10) ser submetida a uma etapa de pré-tratamento antes doaquecimento.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato da referida etapa de pré-tratamentoincluir pelo menos uma dentre a filtração, a troca de íons,a destilação, a precipitação e a evaporação.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de incluir ainda a etapa de reciclara referida fração de contaminantes concentrados recuperadaa partir da etapa de filtração.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de incluir ainda a etapa de alterara velocidade de circulação do referido concentrado.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato da referida velocidade de circulaçãodo referido concentrado ser circulada para manter de 1% a 50% em massa de vapor.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de que a referida massa de vaporcirculante é de 10%.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 7,caracterizado pelo fato de incluir ainda as etapas de:fazer com que a referida fração de vapor da etapa b)atravesse uma coluna enquanto em contato com um refluxo dedestilado do referido destilado condensado; erecircular uma porção do dito destilado condensadopara a referida coluna de fracionamento como um refluxo dedestilado.