ES2319021B1 - Procedimiento de obtencion de hidrocarburos liquidos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de obtención de hidrocarburos
líquidos a partir de biomasa, deshechos hospitalarios, residuos
sólidos urbanos o cualquier otro tipo de residuo que comprende al
menos una etapa físico mecánica en la cual se produce la ruptura de
la materia prima hasta llegar a la ruptura de los enlaces
moleculares, y una etapa química, de neutralización de las
reacciones no deseadas con zeolitas y elementos alcalinos o
alcalino-térreos.
Description
Procedimiento de obtención de hidrocarburos
líquidos.
La presente invención tiene por objeto un
procedimiento de obtención de hidrocarburos líquidos a partir de
biomasa, deshechos hospitalarios, residuos sólidos urbanos o
cualquier otro tipo de residuo.
Esta invención surge para solucionar el grave
problema de la falta de combustibles y para satisfacer la gran
demanda existente a la vez que supone una alternativa eficaz de los
combustibles derivados del petróleo.
Son sobradamente conocidos las formas de
obtención de combustibles a partir de petróleo. Estos procesos se
caracterizan por llevarse a cabo en refinería con un primer paso de
destilación o separación física y posteriores etapas de procesos
químicos.
El primer paso de la refinación del petróleo
crudo tiene lugar en unas torres destilación primaria. En su
interior, estas torres operan a una presión cercana a la atmosférica
y están divididas en numerosos compartimentos. El crudo llega a
estas torres después de pasar por un horno, donde se convierte en
vapor.
Esos vapores entran por la parte inferior de la
torre de destilación y ascienden entre las bandejas. A medida que
suben, pierden calor y se enfrían. Cuando cada componente vaporizado
encuentra su propia temperatura, se condensa y se deposita en su
respectiva bandeja, a la cual están conectados ciertos ductos por
los que se recogen las distintas corrientes que se separaron en
esta etapa.
Al fondo de la torre cae el crudo reducido, es
decir, aquel que no alcanzó a evaporarse en esta primera etapa.
La Unidad de Craqueo Catalítico o Cracking
recibe gasóleos y crudos reducidos para producir fundamentalmente
gasolina y gas propano. La herramienta básica de refinado es la
unidad de destilación. Los hidrocarburos con menor masa molecular
son los que se vaporizan a temperaturas más bajas, y a medida que
aumenta la temperatura se van evaporando las moléculas más grandes.
El primer material destilado a partir del crudo es la fracción de
gasolina, seguida por la nafta y finalmente el queroseno.
Por otro lado está lo que se denomina proceso de
craqueo térmico que se desarrolló en un esfuerzo para aumentar el
rendimiento de la destilación. En este proceso, las partes más
pesadas del crudo se calientan a altas temperaturas bajo presión.
Esto divide (craquea) las moléculas grandes de hidrocarburos en
moléculas más pequeñas, lo que aumenta la cantidad de gasolina
producida a partir de un barril de crudo.
En el estado de la técnica es también conocido
otros dos procesos básicos tradicionales que aumentan
adicionalmente la gasolina producida a partir de un barril de
crudo: la aniquilación y el craqueo catalítico.
La fabricación de estos productos ha dado origen
a la enorme industria petroquímica, que produce alcoholes,
detergentes, caucho sintético, glicerina, fertilizantes, azufre,
disolventes y materias primas para fabricar medicinas, nylon,
plásticos, pinturas, poliéster es, aditivos y complementos
alimenticios, explosivos, tintes y materiales aislantes.
Los procesos anteriores tienen el inconveniente
de utilizar el petróleo como materia prima, ya que es un bien
escaso, caro y contaminante.
Como alternativa al uso de petróleo surgieron
los biocombustibles caracterizados por ser neutrales en emisiones
de carbono. La quema de biocombustibles simplemente devuelve a la
atmósfera el dióxido de carbono que las plantas absorbieron cuando
estaban creciendo en el campo.
La dificultad es que sencillamente no hay
suficiente tierra arable en la cual cultivar todos los cultivos de
biocombustible necesarios para satisfacer el voraz apetito de los
países industrializados.
Como antecedentes concretos que preceden a esta
invención se encuentra la Patente con número de publicación
ES2174500 relativa a un Procedimiento de producción de
hidrocarburos líquidos.
Esta invención se refiere a un procedimiento
para producir hidrocarburos normalmente líquidos a partir de un
material de alimentación hidrocarbonáceo que comprende cinco
etapas, siendo un procedimiento integrado y que parte de gas
natural o gas asociado en localizaciones remotas así como en
plataformas de altamar.
La patente de invención con número de
publicación WO0138456 es relativa a un método para producir
combustibles renovables a partir de materia prima renovable o
biomasa. Se basa en la oxidación parcial de dicha materia prima a
elevada temperatura.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de obtención de hidrocarburos líquidos. La materia
prima de la que se parte es biomasa, residuos sólidos urbanos,
materiales recogidos para el reciclado, residuos de vehículos,
hospitalarios, residuos de petroquímicas, textiles, residuos
cárnicos, grasas de animales, cueros y excrementos, además de
otros.
En un primer aspecto de la invención el
procedimiento comprende al menos las siguientes etapas:
Una etapa físico mecánica en la cual se produce
la ruptura de la materia prima hasta llegar a la ruptura de los
enlaces moleculares, y
Una etapa química, de neutralización de las
reacciones no deseadas con zeolitas y elementos alcalinos o
alcalinotérreos.
En la etapa físico mecánica la ruptura de la
materia prima se realiza mediante tierras o arcillas, que contengan
aluminio y sílice, cloruros de aluminio y preferentemente mediante
zeolitas sintéticas. Deben de estar en polvo. Estos materiales nos
permiten controlar la temperatura durante el proceso, pues la
principal función es causar rozamiento con las moléculas de la
materia prima mediante fricción. Este proceso exotérmico hace
aumentar la temperatura de los materiales.
La ruptura se realiza mediante trituración,
cizallamiento, rozamiento o fricción de la materia prima.
En la etapa química las zeolitas son
preferentemente zeolitas con base de sodio o calcio y los elementos
alcalinos o alcalinotérreos son preferentemente sodio, calcio,
potasio o magnesio.
Cuando en la presente invención se menciona en
la etapa química el término "reacciones no deseadas" se
refiere a que en la primera etapa físico mecánica la materia prima
que, químicamente se define como cadenas hidrocarbonadas que por
sus diferentes orígenes pueden tener átomos o moléculas inorgánicas
asociadas, éstas se rompen a nivel de enlaces moleculares,
desprendiéndose halógenos, cloruros, floruros. Otros elementos que
se puedan desprender al romperse los enlaces moleculares como
mercurio, cromo, metales pesados que se presentaran en forma
fónica. También se pueden desprender átomos de oxígeno, estos se
unirán a un carbono para formar CO_{2}.
Estos compuestos se trataran con los elementos
alcalinos y alcalinotérreos o con otras sustancias fónicas. También
se producirá la ruptura de las cadenas de carbono.
En un segundo aspecto de la invención la materia
prima puede requerir una etapa previa de acondicionamiento.
Si la misma contiene agua en suspensión se
procederá mediante intercambiadores de calor a elevar su
temperatura perdiendo toda el agua.
La materia prima viscosa que sea portadora de
humedad será tratada como se ha descrito anteriormente. Mientras
que la materia prima de alta viscosidad sin agua también deberá ser
tratada a una temperatura inferior para disminuir así su viscosidad
y aumentar su fluidez con lo cual se logra una mejora en la
introducción de la misma en el sistema principal.
A la materia prima sólida sin humedad se le
aplicará un proceso previo de trituración hasta reducirla a un
tamaño de al menos de 3 mm.
A la materia prima sólida con humedad se
realizará un tratamiento previo de trituración hasta al menos 3 mm
de sección unido a un procedimiento de secado. Este proceso de
secado estándar en el mercado dejará una humedad en la materia
prima de entre 10% y 15%. A continuación se incorpora al proceso en
forma normal. También se deberá realizar tratamiento previo de
aquellas materias que contengan agua en forma cristalina.
Una vez finalizada la preparación de la materia
prima en el acondicionamiento, se pasa al proceso principal de la
invención.
Respecto a las instalaciones que requiere este
proceso, sus componentes son fáciles de fabricar, sólo es necesario
una caldera de acero inoxidable, turbinas, motores y demás
elementos. El tamaño y producción de las mismas puede ser muy
variado, desde unos litros a miles de litros por hora. La forma
física de las instalaciones puede ser muy variada.
Una vez descrita la invención, cabe resaltar las
ventajas de que este procedimiento de obtención de hidrocarburos
líquidos presenta, sobre todo respecto al procedimiento de
destilación de petróleo.
En primer lugar presenta la ventaja de poder
hacer uso de los recursos naturales, utilizando materia prima como
la biomasa y residuos. Esto conlleva un menor grado de
contaminación que si partiéramos de petróleo ya que el proceso no
incrementa la producción de dióxido de carbono, y en el caso de uso
de biomasa, se producen kilogramos de dióxido de carbono
negativos.
Adicionalmente, los rendimientos obtenidos son
altos, las materias primas usadas se encuentran en gran cantidad de
países y los reactivos químicos son abundantes en la
naturaleza.
Las instalaciones se pueden construir en todos
los países, ya que solo se necesita una caldera de acero inoxidable
y turbinas.
La utilización del proceso descrito en la
invención ayuda a la eliminación de vertederos. Éstos constituyen
los principales focos de contaminación de aguas subterráneas y de
vertido de metano a la atmósfera.
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A la vista de lo anteriormente enunciado, la
presente invención se refiere a un proceso para la obtención de
hidrocarburos líquidos.
Como ejemplo preferente se detalla el proceso de
obtención de hidrocarburos líquidos a partir de biomasa como
materia prima.
Para comenzar el proceso de nuestra invención se
acondiciona la materia prima, en este caso biomasa, que contiene
agua en suspensión.
Al tratarse de materia prima sólida, se realiza
un tratamiento previo de trituración hasta los 3 mm de sección. A
continuación, se procede al proceso de secado mediante aplicación
de una temperatura de 240ºC en un intercambiador de calor.
Este proceso de secado estándar en el mercado
deja una humedad en la materia prima de entre 10% y 15.
A continuación se incorpora al proceso en forma
normal.
Una vez finalizada la preparación de la materia
prima en el acondicionamiento, se pasa al proceso principal de la
invención.
Inicialmente se llena una cámara principal y un
circuito de turbinas con aceite formado por hidrocarburos saturados
líquidos, que son el agente conductor de la materia prima y los
reactivos. A continuación se ponen las turbinas en funcionamiento
hasta alcanzar una temperatura de 370ºC. La turbina es de doble
cámara y es auto aspirantes. De esta manera, las condiciones son
las adecuadas para recibir la materia prima, biomasa con los
reactivos, en este caso preferente es zeolita en polvo fino.
La zeolita permite controlar la temperatura
durante el proceso, ya que la principal función es causar
rozamiento con las moléculas de la materia prima mediante fricción
en el interior de la turbina. Al ser exotérmico, hace aumentar la
temperatura de los materiales.
El flujo que fluye hacia la turbina está
compuesto por aceite y materia prima, que al entrar en ésta, sufre
un fuerte cizallamiento que provoca una disminución de sus
dimensiones, hasta alcanzar dimensiones de 20 micras, similares a
la de un coloide, y al existir un rozamiento entre las moléculas de
la biomasa con la zeolita, sumado a la acción mecánica de la
turbina se genera calor, aumentando la temperatura del flujo,
llegando ésta, durante el proceso, a fluctuar entre los 270 y los
400ºC.
Siempre se procura que la temperatura del
proceso no sea superior a los 400ºC pues se podría dañar
mecánicamente la turbina, químicamente tampoco puede ser superior a
los 400ºC para evitar que de lugar a un proceso de carbonización y
formación de alquitranes.
A la salida de la turbina los hidrocarburos
ligeros salen en forma de vapor y los más pesados en forma líquida
(aceite).
Las salidas son cuatro, tres de estas situadas a
la salida del condensador, una del hidrocarburo, otra para el agua
y la tercera para los gases. La cuarta se encuentra en el fondo de
la cámara principal para los residuos sólidos.
Los hidrocarburos que han salido en forma de
vapor son absorbidos por la presión negativa a la torre de
destilación, mientras que los que están en forma líquida se
precipitan en la cámara principal.
En la torre de destilación, los vapores de los
hidrocarburos fluyen por dentro de los aceites condensados en sus
diferentes secciones, y los que tienen la densidad que hemos
dispuesto según la torre de destilación, salen de la misma por la
parte superior. Las moléculas más pesadas vuelven a la cámara
principal para sufrir nuevamente el proceso.
Las moléculas de vapor de agua y aceite superan
el proceso de la torre de destilación saliendo en forma de vapor
por la parte superior, después pasan por un intercambiador de calor
cuyo flujo viene alimentado por la bomba de vacío que se encuentra
en la salida del mismo, en su interior los vapores se condensan y
pasan por un separador en el que se decanta el agua de los
hidrocarburos. Estos hidrocarburos representan el final del
proceso.
Existe un purgador de gases para la salida de
CO_{2} que proviene de los oxígenos moleculares de la materia
prima, generalmente la cantidad que se emite es baja, en el caso de
materia prima en forma de glicerinas y alcoholes sí se producirán en
abundancia.
Los residuos sólidos que quedan al finalizar el
proceso se precipitan en el fondo de la cámara principal que tiene
forma de tolva y son extraídos a través de un tubo y una válvula de
paso que se abre cuando estos llegan a un determinado nivel en la
tolva.
Estos restos sólidos están impregnados de
hidrocarburos líquidos por los que son pasados por un intercambiador
de calor o resistencia eléctrica para evaporar estos hidrocarburos
y se devuelven a la parte superior de la cámara principal. Estos
sólidos son generalmente, restos inorgánicos que llevaba la materia
prima, los productos de las reacciones químicas y restos de
reactivos.
Los hidrocarburos obtenidos en el proceso pueden
salir algo turbios. Por esto dispondremos de una torre de
destilación independiente del proceso principal, en la cual se
realiza una segunda destilación, donde los residuos de este proceso
son devueltos a la cámara principal. El agua que se recoge en el
condensador se hace pasar por un sistema de filtros para decantar
los hidrocarburos que han sido arrastrados por la misma, estos
también son devueltos a la cámara principal. Acto seguido, este
agua es destilada.
Al final del proceso principal, se puede
recuperar parte de las zeolitas que hayan precipitado o que sean
arrastradas por los inorgánicos.
Si se parte de la materia prima lignina se
genera gran cantidad de carbón cocke, por lo que se procederá a la
recuperación del mismo decantándolo del resto de los residuos.
En el caso de que la materia prima fuera cáscara
y paja de arroz, se recuperaría la sílice que contiene. En el caso
de que por ejemplo la materia prima sea los fangos de papelera
recuperaríamos la sílice, la alumina y el carbón.
Para tener el proceso controlado se dispone de
varios elementos para poder medir el funcionamiento. Un medidor de
pH, que indica si hace falta más cantidad de alguno de los
reactivos, ya que dependiendo del desplazamiento en la escala de pH,
se conoce la proporción a añadir. Este se encuentra a la salida de
la turbina.
Medidores del volumen, que dividiéndolos según
sectores del proceso son aquellos que se encargan de medir la
materia prima suministrada, los que miden la entrada de reactivos y
se encargan de la salida del gasoil u otros.
Sondas de nivel, útiles para medir el nivel de
los compartimentos. Una se sitúa en la parte superior de la cámara
principal que mide el nivel de aceites y otra en la tolva del
compartimiento inferior que mide el nivel de sólidos. Además, una
sonda de medición de la viscosidad a la entrada de la turbina.
Por último, se sitúan unos medidores de
temperatura que se encuentran a la entrada y salida de la turbina,
otro en la parte inferior de la cámara principal; en la salida de
la torre de destilación; en la salida del condensador; y otras dos
que medirán la temperatura de entrada y salida el fluido
refrigerante del condensador.
Hay materias primas como la lignina de la madera
que contiene significativamente más átomos de carbono que
moléculas de hidrógeno, por lo que genera una gran cantidad de
carbón de cocke. Porque se procederá a la recuperación de este
decantándolo del resto de los residuos sólidos.
En el caso de que la materia prima fuera cáscara
y paja de arroz, se recuperaría la sílice que contiene. En el caso
de los fangos de papelera recuperaríamos la sílice, la alumina y el
carbón. El petróleo con mucho azufre, no útil para las destilerías
convencionales, obtendría una gran cantidad de azufre. Y así otros
muchos.
Para realizar estas separaciones, existen
multitud de tecnologías, se utilizarán las más convenientes a cada
caso.
No alteran la esencialidad de esta invención
variaciones en materiales, forma, tamaño y disposición de los
elementos componentes, descritos de manera no limitativa, bastando
ésta para proceder a su reproducción por un experto.
Claims (8)
1. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos que comprende al menos las siguientes etapas
Una etapa físico mecánica en la cual se produce
la ruptura de la materia prima hasta llegar a la ruptura de los
enlaces moleculares, y
Una etapa química, de neutralización de las
reacciones no deseadas con zeolitas y elementos alcalinos o
alcalinotérreos.
caracterizado porque la ruptura de la
materia prima se realiza mediante trituración, cizallamiento,
rozamiento o fricción, y en la fase química las zeolitas son
zeolitas con base de sodio o calcio y los elementos alcalinos o
alcalinotérreos son sodio, calcio,potasio o magnesio.
2. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos a partir de la rotura de moléculas de carbono e hidrógeno,
según reivindicación 1, caracterizado porque la materia
prima puede ser biomasa, desechos hospitalarios, residuos sólidos
urbanos, residuos sólidos urbanos, residuos hospitalarios, residuos
de vehículos, petroquímicos, textiles y cárnicos.
3. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos, según reivindicación 1, caracterizado porque en la
fase físico/mecánica la ruptura de la materia prima se realiza
mediante tierras o arcillas, que contengan aluminio y sílice,
cloruros de aluminio y/o zeolitas sintéticas.
4. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos, según reivindicación 1, caracterizado porque el
proceso requiere un previo acondicionamiento de la materia prima
que comprende la eliminación de agua en suspensión mediante
intercambiadores de calor.
5. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos, según reivindicación 1ª, caracterizado porque a la
materia prima sólida se le aplica un proceso previo de trituración
hasta reducirla a un tamaño de al menos 3 mm.
6. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos, según reivindicación 1, caracterizado porque los
hidrocarburos finales que presentan turbidez se someten a un
tratamiento adicional en una torre de destilación independiente del
proceso anterior.
7. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos según reivindicación 1, caracterizado porque en la
fase físico/mecánica la temperatura fluctúa entre 270 y 400ºC.
8. Proceso para la obtención de hidrocarburos
líquidos según reivindicación 1ª caracterizado porque las
etapas físico/mecánica y química se llevan a cabo en una turbina
autoaspirante con aceite formado por hidrocarburos saturados
líquidos que es el agente conductor de la materia prima y de los
reactivos.
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