ES2381345B1 - Aparato y procedimiento para la generación de llamas hidrotermales autotérmicas - Google Patents

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Abstract

Aparato y procedimiento para la generación de llamas hidrotermales autotérmicas.#Este aparato hace uso de un procedimiento de oxidación de combustibles y/o residuos, fundamentalmente orgánicos, en agua, por encima del punto crítico. El aparato comprende una cámara de reacción (1), una carcasa de presión (3), entre las que circulará un flujo de un fluido refrigerante presurizado (5) como agua fría o salmuera, y un inyector (9). Este fluido (5) entra por la parte inferior de la cámara de reacción (6), redisolviendo las sales que hayan podido precipitar en el fondo (12) de la carcasa (3), ya que la cámara (1) presenta una abertura (15) en su fondo, abandonan la cámara de reacción (1) sin producir taponamientos.

Description

Aparatoyprocedimiento parala generaciónde llamas hidrotermales autotérmicas.
Objeto de la invención
La presenteinvención se refierea un aparatoy un procedimiento parala generaciónde llamas hidrotermales auto-térmicas. Este aparato hace uso de un procedimiento de oxidación de combustibles y/o residuos, fundamentalmente orgánicos, en agua, por encima del punto crítico. En estas condiciones, el agua presenta propiedades físicas que le confieren característicasde disolvente orgánico.
El aparato podrá usarse para la destrucción de residuos por oxidación en agua supercrítica, para la producción de energía o para cualquier otro proceso hidrotermal que use la llama hidrotermal como fuente de energía como por ejemplo,lagasificación producida en agua supercríticaola precipitaciónde materiales sobrela llama hidrotermal.
Antecedentes de la invención
Cuandoseproducelaoxidacióndeunosreactivosenaguasupercríticaatemperaturasporencimadela temperatura de autoignición de los reactivos esta oxidación se produce en forma de llamas, conocidas como llamas hidrotermales. Estas llamas fueron descritas por primeravez por SchillingyFranck en 1988. Las altas presiones permiten disminuir de forma significativa las temperaturas de autoignición de los compuestos, en algunos casos hasta 400ºC, por loque este proceso tiene lugar a temperaturas menores que la combustión convencional evitando la formación de subproductos como NOx o dioxinas. Cuando la oxidación en agua supercrítica se da en régimen dellama hidrotermal los contaminantespuedensertotalmente eliminadosentiemposde milisegundos[AugustineyTester,2009].
La principal aplicación de la oxidación en agua supercrítica tanto en régimen de llama como sin llama es la destrucción de residuos, especialmente aquellos no biodegradables, recalcitrantes o xenobióticos. Las llamas hidrotermales ademássehan aplicadoala perforaciónde pozos profundos,segúnsedescribeenlas patentesUS 5.771.984yWO 2010072407.
La oxidaciónenagua supercríticafuepatentadapor Modellen1981,US 4.113.446,US 4.338.199yUS 4.543.190. En estas patentessedescribeun complejosistemade oxidaciónde lodosyresiduosorgánicosque operaatemperaturas de 600ºC en una cámarade oxidación seguidade un separadorde cenizasdela combustiónyrecirculacióndegasesa la cámara de oxidación.
Pronto se pusieron de manifiesto los problemas de esta tecnología asociados a las duras condiciones de operación: corrosión, debidoala atmósfera oxidanteydeposicióndesalesinorgánicas debidoalabajasolubilidadque presentan en agua supercrítica. La mayor parte de las patentes que siguieron a continuación fueron encaminadas a solucionar estos problemas.
Respecto al problema de la separación de sales inorgánicas precipitadas en el efluente, la patente US 4.338.199 delaño 1982deMODARya proponela separacióndelos sólidos inorgánicosenun ciclónque recibeel efluentedel reactor. En 1989 patentaron un reactor, US 4.822.497, consistente en un gran recipiente a presión que proporciona un ambiente relativamente estacionario en el cual las partículas sólidas caen al fondo delrecipiente por el que se inyecta agua fría por lo que se mantiene por debajo de la temperatura supercrítica de tal manera que una pequeña parte del agua condensay se formará una acumulación de salmuera concentrada por disolución de las sales sedimentadas. La solucióndesalmuera calienteypresurizadaseretiraatravésdeuna válvulaporelfondodel recipiente reactor.Una modificacióna esta patente eslaWO9221621de 1992, enla quela corrientede aguafría se introduce resbalando por la pared del reactoryde esta maneraevitandola deposiciónde las sales enla pared.
En el año 1997, la patente española ES2108627 de Cocero describe un sistema de reactor consistente en una carcasa refrigerada conteniendo una cámara de reacción, que proporciona unos reactores de menor coste por no ser necesario quesu carcasa presurizada soporteel ambientede oxidaciónypor encontrarse esta carcasaa menor temperaturaque la del proceso de oxidación.Para ello, dicha carcasa está refrigerada interiormente, requiriendo así menor espesor, mediante la propia alimentación del sistema o mediante un fluido ajeno al proceso. Continuando con la idea de la pared refrigerada otra forma de realizar la oxidación en agua supercrítica es utilizando agitación.
En la patente ES 2219567 del 2004 publicada por la Comisaria de la Energía Atómica (Francia), se describe como la mezcla del fluido agua/oxidante bajo presión y caliente, y el material a tratar en el tubo interno, puede realizarse mediante agitación mecánica. El flujo tenderla a un régimen equivalente al de un reactor perfectamente agitado o se podría confinar la agitación a volúmenes sucesivos con el fin de mantener en el tubo interno un régimen deevacuación esencialmente cuasi-pistóndelamezclafluida calientede agua/oxidanteapresiónydelmaterialtratado. El enfriamiento de la mezcla fluido/material oxidado en el tubo interno, se realiza con preferencia bajo agitación fuerte.
Otro tipo de reactor de oxidación es el de pared transpirable desarrollado por McGuinness, US 5.384.051, en el año 1996.El reactor constade una funda permeableque rodeaala cámarade reacciónyquese encuentra dentrode la cámara presurizada.La fundaaíslala cámaraa presióndelaselevadas temperaturasycondiciones oxidantesque hay en la zona de reacción, disminuyendo el coste del recipiente a presión. El residuo orgánico se introduce por la parte centraldela cámarade reacciónyla mezclade oxidanteyagua calienteypresurizadase introduceenla zonade reaccióna travésdela funda permeable.Enla patenteUS 5.558.783de 1996, McGuiness propone este mismo sistema para distribuir de forma homogénea el oxidante en una oxidación con llama hidrotermal.
Otrapatente enla que se usa un elemento transpirable esladeAerojet,US 5.387.398, del año 1995.Los residuos orgánicos se oxidan en agua supercrítica en la zona de reacción en un tubo de reactor formado por “platelet”, esto es una serie de placas microperforadas que forman conductos en la paredy crean caminos preferenciales haciendo la pared transpirable. El agua supercrítica se inyecta dentro de la sección anular, tanto por el exterior de la sección anular como por la cámara central, a través de los conductos de la pared, formándose una película protectora de agua supercrítica enla superficie que definela zona anularde reacción que mitiga los problemasde corrosiónydeposición de sales.El aguaa suvez también calientala mezclade residuoyoxidante hastalatemperaturade reacción.
Otra patente quebusca proteger las paredes de la cámara hidrotermal del calor generado en la llama hidrotermal esla publicada como EP0612697,yUS 5.437.798de Sulzer enla que se describe uninyector refrigerado en su parte externaparaevitarel contactodelallamaconlasparedesdelacámarade reacciónen1994.LaspatenteUS 5.804.066, EP0820423(A1)yWO9729050(A1)de Mueggenburg et al. publicadas en 1997y1998 describen un inyector para llamas hidrotermalesenlasqueelcombustible,el agua,el residuoyel oxidanteseinyectande forma separada para evitar la oxidación a temperaturas demasiado altas.
Para evitar el precalentamiento, en 1997 McBrayer patentó un reactor de recirculación donde los reactivos fríos se mezclaban conlos productos calientesporel efectodela convección natural(WO9746494,US 6001243yUS 6017460). Continuando con la misma idea, en el mismo año las patentes US9705069yWO5.674.405 de MODAR muestra un reactor en que el residuo acuoso orgánico y el oxidante son introducidos en una pequeña cámara de reacciónypermite mezclar la alimentación con los productos formados, permitiendo un reciclaje interno del calor. Esta retromezcla permite iniciar la reacción de la alimentación que está entrando a la vez disminuye la cantidad de sólidos formados en el reactor.
Referencias
-
C. Augustine,J.W.Tester,Hydrothermal flames: From phenomenologicalexperimentaldemonstrationsto quantitative understanding, J. Supercrit. Fluids 47(2009) 415-430.
-
W.Schilling, E. U. Franck, Combustión and Diffusion Flames at High Pressures to 2000 bar, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 92(1988) 631-636.
Descripción de la invención
Para lograr los objetivosy evitar los inconvenientes indicados anteriormente, la presente invención consiste en un aparato capaz de sustentar llamas hidrotermales estacionarias, que comprende un inyector tubular, una cámarade reaccióndeun material capazde soportar temperaturas mayoresde 400ºC abierta por su parte inferiorycontenida en una carcasa de presión capaz de soportar altas presiones, refrigerada por un flujo de agua fría o salmuera que se introduceporlapartesuperiordela carcasayentraporlaparte inferiordelacámarade reacción.Lainvencióntambién comprendeel procedimientoquehaceusodeeste aparatoparala generacióndelas llamas hidrotermales estacionarias.
Así, el aparato para la generación de llamas hidrotermales, se caracteriza porque comprende,
•
Uninyector,quese introduciráenel interiordel aparatoy atravésdel cualseinyectaránlos reactivosyel comburente que generarán la llama hidrotermal. A la salida del inyector se produce una llama hidrotermal estacionaria que sirve para precalentar los reactivos fríos hasta la temperatura de autoignición.
•
Una cámara de reacción abierta en el fondo para la entrada de un fluido refrigerante. Estaráconstruida en un material resistente a temperaturasde reacción porencimade 374ºCy a presiones por encimade 22.1MPa. Estas son las condicionesde temperaturaypresióna las que se alcanzael punto crítico del agua.
•
Una carcasa de presión que comprende al menos un orificio situado en el fondo de la misma, siendo este fondo de la carcasa preferentemente plano, para la salida del efluente que se genera en el interior del aparato. La cámara de reacción estará situada en el interior de la carcasa de presión habiendo un espacio entre ambas para la circulación del fluido refrigerante. Esta carcasa estará construida en un material resistente a presiones por encima de 22.1 MPa.
•
Un sistema de refrigeración que comprende un fluido refrigerante que circula por el espacio entre la carcasa de presiónyla cámarade reacciónyque entraenla cámarade reacciónporla aberturadel fondodedichacámara de reacción. De este modo el fluido refrigerante, que se habrá calentado a una temperatura cercana a la crítica, redisolverálas sales generadasenelinteriordela cámarade reacciónyquese habrán precipitadoal fondodela cámarade presiónylas arrastraráporlos orificiosde salida situadosenel citado fondodela cámarade presión al exterior del aparato. Así se evitará que se obstruyan las salidas o la tubería que conduzca este efluente ya unavezque esté fueradel aparato.El fluidodel sistemade refrigeración estará seleccionado entreagua fríay salmuera.
Elinyector se puede introducir o bien porla parte superior del aparatoo bien porla parteinferior. Además,la invención prevé que losgases del efluente generados enel interiordela cámarade reacción salgan del aparatoo bien por la parte superior o por la inferior del citado aparato.
Para el caso en que el inyector se introduce por la parte inferior del aparatoy losgases del efluente salen por la parte superior del mismo, se tienen al menos dos orificios en el fondo de la carcasa de presión uno por donde es introducidoelcitadoinyectoryal menosotropordondesaleelfluido refrigeranteconlassales disueltasy/ounaparte del efluentey, ademásun orificioenla parte superiordela cámarade reacciónydela carcasade presión paralasalida de losgases del efluente que se generan enel interior del aparato.
Para el caso en que el inyector se introduce por la parte inferior del aparatoylosgases del efluente salen por la parte inferior del mismo, se tiene un orificio en el fondo dela carcasa de presión por donde es introducido el citado inyector haciala cámarade reaccióna travésdelaaberturadela parte inferiordela cámara.Parala salidade losgases del efluente que se generan en el interior está previsto que se mezclen con el fluido de refrigeraciónysalgan por los orificios del fondo de la carcasa para la salida del fluido.
Para el caso en que el inyector se introduce por la parte superior del aparatoylosgases del efluente salen por la parte superior del mismo, se tiene un orificio en la parte superior la cámara de reaccióny un conducto en la carcasa de presiónque conectala cámara conelexterioryteniéndosequeeldiámetrodel orificiopor dondese introduceel inyectoresmayorqueel diámetrodelinyector permitiendola salidaporelhuecoquequeda entreambos,delosgases del efluente que se generan en el interior de la cámara de reacción. Opcionalmente el aparato comprende al menos un orificioy un conducto situadosenla partesuperiordel aparato, comolos descritos anteriormente, independientesdel empleado parala introducción delinyector parala salidade losgases del efluente.
Para el caso en que el inyector se introduzca por la parte superior del aparatoylosgases del efluente salgan por la parte inferior del mismo, se tiene un orificio en la parte superior de la carcasa de presión por donde es introducido el citadoinyector.Parala salidade losgases del efluente que se generan enel interior delaparato está previsto quese mezclen conel fluidode refrigeraciónysalgan por los orificios del fondodela carcasa parala salida del fluido.
Opcionalmente, cuando losgases abandonanla cámarade reacción porla parte superior,el aparato comprende un filtro, resistentea temperaturas superioresa 374ºC, entrela salida delinyectoryla salidade losgases del efluente.
Tambiénseprevéqueel aparatotengael fondodela carcasade presiónde forma cónicaparafacilitarla deposición de las sales que se generan en el interior de la cámara de reacción.
Opcionalmente el inyector puede comprender aletas o tener una forma helicoidalpara aumentar la superficie de intercambiode calor entrela cámarade reacciónyloselinyector.Elinyector puedeserde tipo tubular.
Además el aparato puede tener elementos que modifiquen la dinámica del flujo, como por ejemplo, placas deflectoras que se sitúan en le interior de la cámara de reacción de forma transversal a la misma.
Por otro lado el procedimiento de generación de llamas hidrotermales que hace uso del aparato anteriormente descrito, comprende lassiguientesfases:
i) Generarlas condicionesde temperaturaypresiónalasquese alcanzala ignicióndela materiaorgánica, como combustiblesy/o residuos en agua supercrítica, enel interiordela cámarade reacción.
ii) Introduciratravésdelinyector unos reactivosyuncomburentea temperaturapor encimadelade autoigniciónde los reactivos, parala generacióndela llama hidrotermalala salida delinyector.
iii) Introducirel fluido refrigerantepresurizadoporel huecoexistente entrela carcasade presiónyla cámara de reacción para la refrigeración de la carcasa de presión.
iv) Disolver enel fluido refrigerante las sales que se precipitenal fondodela cámarade reacciónyhacer salir alexterior este fluido conlas sales disueltasa travésde los orificios del fondodela carcasade presión.
Opcionalmenteenlafaseii)seinyectajuntoconlos reactivosycomburenteun fluidoparalagasificacióndedicho fluido en condiciones en lasqueel oxidante está en una proporción inferiorala estequiométrica.
El procedimiento que hace uso del aparato para procesos degasificación de sustancias en agua supercrítica sobre la llama hidrotermal consisteen introducirjuntoalos reactivosyal oxidanteel materialagasificar,quepodríanserlos mismos reactivos u otro material orgánico. Preferentemente, será un material o fluido que comprenda sustancias orgánicas.Alinyectarse sobrelallama los reactivos, oxidanteymaterialagasificar, éstos se calientan súbitamentedemaneraquelosreactivosseoxidanygeneralcalorperoel materialagasificarse transformaengasesmayoritariamentehidrógenoydióxidode carbono,yen menor proporción otrosgasescomo metano, monóxidode carbonou otros.Eneste procesodegasificaciónsobrelallama hidrotermales importantetrabajaren defectode oxidante,paraqueasípartedel materialy/o reactivos se oxide para generalla llamaylaotra parte segasifique para proporcionargases combustibles.
La cámara de reacción está prevista para trabajar a temperaturas de hasta 800ºC en el interior de la cámara de reacción. Preferentemente,el aparato estaprevisto para trabajara temperaturaspor encimade 374ºCya presionespor encimade22.1MPa.También puede trabajara temperaturaspor encimade 374ºCy apresionespor debajode22.1 MPa. Además está previsto que la carcasa de presión soporte presiones que preferentemente serán de hasta 30 MPa. El aparatoestáprevistoparaquela carcasasoportelas condicionesde presiónquese generen debidoalas condiciones extremasde las reaccionesque se den enel interiordela cámarade reacción.
Los reactivosconelcomburentequeseinyectanenlafaseii),puedenestaratemperaturasde entre20y500ºCy preferentementea presiones mayoresde22.1MPa.Tambiénsepuedeninyectara presionespordebajode22.1MPa. Opcionalmente los reactivosyel comburente empleados enlafaseii) sonde un material combustible como reactivoy peróxido de hidrógeno u oxígeno como comburente, pudiendo estar mezclado el oxígeno con nitrógeno en cualquier proporción.
El fluido refrigerante empleado enlafase iii) está seleccionado entre agua fríaysalmuera.
Destacan las siguientes características de funcionamiento:
•
Presentalaposibilidaddeinyectar reactivosa temperatura ambiente sobrela llama,evitandoel precalentamiento, siendo posible además la inyección de alimentaciones con alto contenido en sales minerales, sin que se produzcael taponamientodel equipoysin que estas sales se acumulen enel interior del aparato.
•
Produce un efluentea alta temperatura,de manera que se tiene un sistemade generaciónde energía eficazy limpiaa partirde combustiblesode residuos acuososde alto poder calorífico basado enla formaciónde llamas hidrotermales.
La principalventajade este diseño esqueel mismo fluido refrigerante, aguao salmuera, unavez refrigeradala cámarade reaccióny aunatemperaturaelevada cercanaala críticadelaguaentraporlaparte inferiordelacámara de reacción formandoundepósitodeagualíquidaenelquelassales precipitadasenlallamase redisuelvanypuedan dejar la cámara de reacción sin originar problemas de taponamiento.
El diseño del aparato permite minimizar el coste de los materiales de construcción utilizando el concepto de cámara de reacción con carcasa de presión de pared refrigerada. Este diseño permitirá operar a elevada temperatura enla cámarade reacción,yutilizar una carcasade presión refrigerada para soportarla presiónde operación, pudiendo construir equipos de menor coste.
Respecto a las condiciones de operación, los reactivos con el comburente se pueden inyectar a temperaturas comprendidasentre20ºCy500ºCypreferentementeapresionesmayoresde22.1MPa.Opcionalmentetambiénsepueden inyectar a presiones por debajo de 22.1 MPa. El aparato puede trabajar con temperaturas máximas de hasta 800ºC en el interior de la cámara de reacción.
Respecto a la aplicabilidad del aparato, este aparato permitirá la realización de procesos que tengan como fuente de energía una llama hidrotermal, como la oxidación en agua supercrítica de aguas residualesyfangos, procesosde gasificación en agua supercrítica, la precipitación de partículas por calentamiento súbito de una corriente acuosa en lallama hidrotermal, así como cualquier otro procesopara generarvapora elevada presióno cualquier otro proceso hidrotermal que use la llama como fuente de energía.
Breve descripción de las figuras
Figura 1.-Muestra una realizacióndela configuración del aparato conelinyectorintroducido porla parte inferior del aparatoyla salidade losgases del efluente porla parte superior del mismo.
Figura 2.-Muestra una realizacióndela configuración del aparato conelinyectorintroducido porla parte inferior del aparatoyla salidade losgases del efluente porla parte inferior del mismo.
Figura 3.-Muestra una realización de la configuración del aparato con el inyector introducido por la parte superior del aparatoyla salidade losgases del efluente porla parte superior del mismo.
Figura 4.-Muestra una realización de la configuración del aparato con el inyector introducido por la parte superior del aparatoyla salidade losgases del efluente porla parte inferior del mismo.
Figura 5.-Muestra el esquema de la instalación en la que se realizan las pruebas del aparato.
Figura 6.-Muestra los datos experimentales obtenidos en una experiencia en la que se redujo la temperatura de inyección hasta 30ºC.
Figura 7.-Muestra los datos experimentales obtenidos en una experiencia en la que el flujo de refrigeración fue modificado para observar la variación de temperatura en el fondo de la carcasa.
Figura 8.-Muestra el diagrama de contornos de temperatura en grados Kelvin resultante de la simulación de operación del aparato con la configuración correspondiente al esquema de la figura 1.
Figura 9.-Muestra la representación de las líneas de flujo resultantes de la simulación de operación del aparato con la configuración correspondiente al esquema de la figura 1.
Figura 10.-Muestra el diagrama de contornos de fracción másica de agua resultantes de la simulación de operación del aparato con la configuración correspondiente al esquema de la figura 1, con distintas distribuciones de flujo entre las salidas(7y11 enla figura1).
Descripcióndevarios ejemplosderealizacióndelainvención
Seguidamentese realizan, con carácter ilustrativoyno limitativo, una descripcióndevarios ejemplosde realización de la invención, haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras.
Acontinuación se mencionan los elementos que son comunes a todos los ejemplos de realización de la presente invención. El aparato comprende una cámara de reacción (1) limitada por una pared o carcasa interior (2) de un material resistente alas altas temperaturasy ala corrosiónqueasuvezestá contenida enuna carcasa depresión (3). Entre las paredes (4) de la carcasa de presión (3) y la cámara de reacción (1) circulará un flujo de un fluido refrigerante presurizado(5)comoaguafríaosalmuera,que mantendrá refrigeradala carcasadepresión(3).Estefluido
(5)
entra por la parte inferior de la cámara de reacción (6), redisolviendo las sales que hayan podido precipitar en la llama hidrotermal,y abandonandoasílacámarade reacción(1)sin producir taponamientos. Estas sales precipitan directamente en el interior de la cámara de reacción(1)y caen al fondo (12) de la carcasa (3), ya que la cámara
(1)
presenta una abertura (15) en su fondo, comunicando dicha cámara (1) con dicha carcasa (3).Para inyectarla alimentación (17), es decir los reactivosy el comburente, en el interior de la cámara de reacción (1) se emplea un inyector (9).
Conel aparatodela presenteinvención,cuyaspartesprincipalesse describenenelpárrafo anterioryson comunes para todas las diferentes disposiciones de la misma, si se varia la disposición de las entradas y salidas se pueden obtener distintas realizaciones del aparato. Los ejemplos de realización se describen a continuación.
Ejemplo1
La figura1muestra una primera realización preferente de la invención. En esta configuración la inyección de los reactivosycomburente(8)se producirá medianteuninyectortubular(9) insertadoporun orificio(13) realizadoenel fondo(12)dela carcasadepresión(3),que conducelos reactivos,atravésdelaabertura(15)delaparte inferiordela cámara de reacción (1), a la parte superior o media de la cámara de reacción (1) del aparato.
Las sales disueltas en los reactivosy el comburente que generan la llama hidrotermal al entrar en la cámara de reacción(1), precipitan debidoalas condicionessupercríticasdelaguay son recogidasporelaguaque refrigerala paredexterna(5)yquese acumulaenelfondo(12)dela carcasade presión(3) saliendoporlos orificios(7)delfondo
(12) evitando de esta manera la formación de tapones en la tubería de salida del aparato.
Losgasesdel efluente generados saldrándel aparatoporel orificio situadoensu parte superior(11)dela cámara (1),que comunicaconun conducto(14)dela carcasa(3),sin mezclarseconelaguade refrigeración(5).Estopermite quelosgases abandonenel aparatoa mayortemperatura(600-700ºC)ylibresde sales conloque podríanexpandirse en una turbina para la generación de electricidad o emplearse para producir vapor.
El aparato puede utilizarse para generar energíaypara la eliminación de residuos además de para otros procesos hidrotermales asociados comolagasificaciónola oxidación parcial.
Ejemplo2
La figura2muestra otra realización preferentedelainvención idénticaaladela figura1 conlaexcepciónde que la cámara de reacción (1) no estáabierta por su parte superior por lo que no existe un orificio (11) para la salida de losgasesdel efluente.Deigualmodonoexisteun conducto(14)enla carcasadepresión(3)que comuniqueconel orificiodelacámara(1)atravésdelquesalganlosgases. Debidoaesto,losgasesdel efluente saldránporlos orificios
(7) del fondo (12) de la carcasa de presión (3) mezclándose con el fluido de refrigeración (5) en la zona inferior del aparato (6).
Ejemplo3
La figura3muestra otra realización preferente. En esta realización la inyección de los reactivosyel comburente
(8) se realiza mediante un inyector (9) insertado por la parte superior a través de un orificio (11) situado en la parte superior del aparato realizado para tal efecto, conduciendo en este casoa los reactivos haciala parte inferiorymedia dela cámarade reacción(1).En esta realización,losgasesdel efluente saldránporel orificio(11)dela cámara(1),que comunica con el conducto (14) de la carcasa, situado en la parte superior del aparato, ya que el diámetro del orificio
(11)yel conducto(14)estáprevistoqueseamayorqueel diámetrodelinyector(9)ydichoinyector(9)estásituado de forma concéntrica respectoal orificio (11)yal conducto (14).De esta forma losgases del efluente no se mezclarán con el agua de refrigeración (5), pero sin embargo las sales al igual que en el primer ejemplo se disolverían en el agua acumulada enel fondo (12)dela carcasade presión(3) porlo que losgases saldrían libresde sales.
Ejemplo4
La figura4muestra otra realización preferentedelainvención idénticaaladela figura3 conlaexcepciónde que lainyeccióndelosreactivosyelcomburente(8)se realiza medianteuninyector(9)insertadoporlapartesuperior a través de un orificio (11), que comunica con un conducto (14) de la carcasa (3), situado en la parte superior del aparato realizado para tal efecto, conduciendo en este casoa los reactivos haciala parte inferiorymediadela cámara de reacción.Tras producirsela reacción,losgasesdelefluente saldránporlos orificios(7)del fondo(12)dela carcasa de presión (3) mezclándose con el agua de refrigeración (5) en la zona inferior del aparato (6).
Ejemplo5
En otra realización preferente de la invención está prevista la instalación de un filtro de un material resistente a las altas temperaturasparala configuracióndelafigura1entrela salidadelinyector(9)yel orificiode salidadelosgases del efluente (11).
Ejemplo6
En otra realización preferente de la invención está prevista la modificación del fondo de la carcasa de presión (3) de manera que sea cónico,facilitando asíla deposiciónde sales.
Ejemplo7
En otras realizaciones estánprevistasvariacionesenel diseñodelinyector tales como:aletasouna forma helicoidal delinyectorpara aumentarla superficiede intercambiodecalor entrela cámaradereacción(1)yelinyector(9).
Ejemplo8
Se han realizado pruebas con un prototipo del aparato en una planta piloto con un diseño equivalente al de la figura 5parala oxidaciónde materia orgánica en condiciones supercríticas,a una presiónde operaciónde hasta 300 baresy conflujosde operacióndehasta25kg/h.Elaparatohaoperadosatisfactoriamente,y amododeejemplose presentan enla tabla1yfigura6los resultados correspondientesa unexperimento.
Para todos los experimentos realizados, y que se exponen a continuación, se ha empleado agua mezclada con isopropanol como alimentación (17)yaire como comburente (18).Para los casos concretosde las figuras6y7 seha empleado el aparato dispuesto con la configuración descrita en la figura 2.
Nótese que la alimentación comprende además de los reactivos, agua. En la presente memoria se ha empleado la misma referencia (17) para los reactivos que para la alimentación aunque siempre que se hable de alimentación se entenderá que se refiere a la mezcla de los citados reactivos con el agua.
Paraelcaso concreto delexperimento cuyos resultados se muestran enla figura6yla tabla1se tienequela salida delosgasesdel efluentese mezcla conelagua(5)que refrigeralapared manteniendoéstaaunflujo constante.El agua (5) que entra presurizada para refrigerar el aparato es suministrada por una bomba (14). La alimentación (17) es suministrada por una bomba (20) que hace pasar dicha alimentación (17) por un intercambiador de calor (19) antes de introducirla en el aparato. El comburente (18), nótese que los términos oxidanteycomburente son equivalentes, es suministrado por un compresor (21) que lo hace pasar por un intercambiador de calor (19) como paso previo a introducirloenel aparato.Comoala salida(7)se tieneun efluentequecomprendegases, líquidosy restossólidos,se emplea un separador (22) para obtener por un lado losgases del efluenteypor otrolos líquidosysólidos. Como paso previo al separador (22), el efluente pasa a través de un intercambiador de calor (19).
Enlatabla1se encuentranlosvalores correspondientesalasvariablesde operaciónylos resultadosmásrelevantes de la prueba realizada.
ES2381 345A1
TABLA1
Nótese que la tabla se ha divido en dos partes por el tamaño de la misma por lo que los datos representados se correspondena las mismas6muestras.
Se observa que es posible mantener el aparato funcionando con temperaturas de inyección de hasta 30ºC logrando una total eliminación de la materia orgánica presente en la alimentación (17).
Enla figura6 se muestralaevolución temporalde las temperaturas, presiónyeliminaciónde carbono orgánico total, EliminaciónTOC, obtenidasenun procesode oxidación dondeTinesla temperaturadelaalimentación(17)a la entrada del aparato(8)yT1yT2 son las temperaturadela reacciónde los reactivos (17) conel oxidante (18)en el interiordela cámarade reacción(1), siendoT1 temperatura medidaala salidadelinyector(9)yT2 tomadaenla zonade reacción (10).Pefluente esla presiónala que se someteel efluente.
Enla figura7se muestralaevolución temporalde las principalesvariablesde operaciónen otroexperimento enel que se va modificando el flujo de refrigeración (F REF) de manera que se logra disminuir la temperatura delfondo (T FONDO) del aparato pero manteniendo la llama hidrotermal en la zona de reacción (10), temperaturas de 600-700ºC en el interior del aparato, demostrando que es posible disponer dentro del aparato una cierta altura de líquido a una temperatura por debajo de la temperatura crítica del agua de manera que las sales se disuelvan en ella a la vez que se genera la llama hidrotermal en la parte superior de la cámara de reacción (1).
Enla tabla2 se recogen los resultados más relevantesdelaexperiencia reflejada enla figura7.
TABLA2
ES2381 345A1
Nótese que la tabla se ha divido en dos partes por el tamaño de la misma, por lo que los datos representados se corresponden a los mismos flujos de refrigeración.
Enotroejemplode realización,parala configuración correspondientealafigura1,sehanllevadoacabo simulaciones numéricas para estudiar el posible comportamiento del aparato ante diferentes condiciones de operación. Los resultadosde estas simulacionesse muestranenlas figuras8a10.La alimentación(15),que comprendela mezcladel comburente (18) con los reactivos (17), considerada en la simulación es una corriente de 22 kg/h de isopropanol en agua,auna concentracióndel8%enpeso,queentraalacámarade reacción(1)auna temperaturade360ºCypresión de23MPa.El oxidante (16) es aire estequiométricoyel flujode aguade refrigeración(5) es tambiénde22 kg/h.
En la figura 8 se muestran los contornos de temperatura en el interior de la cámara de reacción (1) en estas condiciones.Lasimulación indicaun aumentode temperaturaenelflujodelinyector(9)debidoala transferenciade calor desde la cámara de reacción (1)ydebido al propio calor liberado en la oxidación. Una parte del efluente que deja el inyector (9) se enfría al recorrer la cámara de reacción (1), mientras el agua de refrigeración (5) se calienta, yalfinal se mezclan en la zona inferior de la cámara de reacción (6) abandonando la cámara de reacción (1) a una temperatura subcrítica (360ºC, en este ejemplo) por los orificios (7) situados en el fondo (12) de la carcasa de presión (3). Otra parte del efluente, concretamente losgases, salea 500ºC porel orificiodela parte superior (11) del aparato, permitiendo su aprovechamiento energético.
Enla figura9 se muestran las líneasde flujo dentrodela cámarade reacción (1). Estas líneas apuntana zonas de turbulencia, especialmente en la zona de salida de los reactivos por el inyector (9), que son beneficiosas porque contribuyen en el precalentamiento “in situ” de los reactivos cuando su inyección se hace a temperaturas subcríticas, estabilizando la región de la llama hidrotermal (10).
En la figura 10 se muestran los contornos de concentración (fracción másica) de fluido refrigerante, concretamente aguapara este caso,para diferentes distribucionesdeflujo entrelas salidas superiore inferior(7y11)del aparato. En los diagramas, las zonas oscuras corresponden a bajas concentraciones de agua, mientras las zonas claras indican agua pura. Se puede observar el nivel de agua líquida acumulada en la parte inferior (6) de la cámara de reacción
(1) en funcióndela relación entreel flujodegases enla salida superior, (11)y enla salida inferior (7).La figura10a correspondeauna configuraciónenlaquelosgasesdel efluente salenporla parte inferiordel aparato, manteniendoun bajoniveldeaguaenla zona inferiordel aparato(6)para disoluciónde sales.Las figuras10b,10cy10d corresponden, respectivamente,a condiciones enqueuna fracciónde50,65y90%delflujodegasesdejael aparatoporlaparte superior (11). Se observa que el nivel de agua líquida en el fondo de la cámara de reacción aumenta a medida queaumenta el flujo de efluente que abandona la cámara (1) por la salida superior (11). Éste aumento de nivel de agua mejora la disolución de sales precipitadas, sin embargo reduce la temperatura en la cámara de reacción (1), siendo un parámetroa tener en cuentaaldecidirel flujode salidade efluentesgaseosos.

Claims (28)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Aparato parala generaciónde llamas hidrotermales, que se caracteriza porque comprende,
    •
    un inyector (9);
    •
    una cámara de reacción (1) que comprende una abertura (15) en el fondo de la misma para la entrada de un fluido refrigerante (5), comunicando dicha abertura (15) la cámara (1) con una carcasa de presión (3) que la rodea;
    •
    una carcasa de presión (3) que comprende, al menos un orificio situado en el fondo de la carcasa para la salida de un efluente (7), estando situada la cámara de reacción (1) en el interior de la carcasa de presión
    (3)yhabiendoun espacio(4) entre ambasparala circulacióndeun fluido refrigerante(5);y,
    •
    un sistema de refrigeración que comprende un fluido refrigerante (5) que circula por el espacio (4) entre la carcasade presión(3)yla cámarade reacción(1)yque entraenla cámarade reacción(1)porla abertura
    (15)que comunica conenelfondo(12)dela cámarade reacción(1).
  2. 2.Aparatoparalageneracióndellamas hidrotermales,segúnlareivindicación1, caracterizado porque comprende un orificio(13)enel fondodela cámarade reacción(1)ydela carcasade presión(3)parala introduccióndelinyector (9).
  3. 3. Aparato para la generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 2, caracterizado porque la cámara de reacción(1)yla carcasade reacción(3) presentanun orificio(11)enlaparte superiorparala salidade unosgases del efluente que se generan en el interior.
  4. 4.Aparatoparalageneracióndellamas hidrotermales,segúnlareivindicación1, caracterizado porque comprende un orificio(13)enlapartesuperiorlacámarade reacción(1)yun conductoenla carcasadepresión(3)quecomunica con dicho orificio (13) por donde se introduce el inyector (9).
  5. 5.Aparatoparala generacióndellamas hidrotermales,segúnlareivindicación4, caracterizado porque el diámetro del orificio (13) por donde se introduce el inyector es mayor que el diámetro del inyector (9) permitiendo la salida por el huecoquequeda entre ambos,de unosgasesdel efluentequesegeneranenel interiordela cámarade reacción(1).
  6. 6.Aparatoparalageneracióndellamas hidrotermales,segúnlareivindicación4, caracterizado porque comprende al menosun orificioenla cámarade reacción(1)y un conductoenla carcasa(3) independientesdel orificio(13)yel conducto delinyector paralasalidade losgases del efluente.
  7. 7. Aparato para la generación de llamas hidrotermales, según una cualquiera de las reivindicaciones 4, 5 y 6, caracterizado porque comprende un filtro, resistente a temperaturas superiores a 374ºC, entre la salida del inyector
    (10)yla salidade losgasesdel efluente (11).
  8. 8. Aparatoparala generaciónde llamas hidrotermales,segúnlareivindicación1, caracterizado porque el fondo de la carcasa de presión (12) es cónico parafacilitar la deposición de unas sales que se generan en el interior de la cámara de reacción (1).
  9. 9. Aparatoparala generaciónde llamas hidrotermales,segúnlareivindicación1, caracterizado porque el inyector
    (9) comprende aletas.
  10. 10.
    Aparatoparala generaciónde llamas hidrotermales, segúnla reivindicación1, caracterizado porque el inyector(9) tiene una forma helicoidal para aumentarla superficiede intercambiode calor entrela cámarade reacción(1) yel inyector (9).
  11. 11.
    Aparatoparala generaciónde llamas hidrotermales,segúnlareivindicación1, caracterizado porque comprende elementos que modificanla dinámica del flujo.
  12. 12.
    Aparato para la generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 11, caracterizado porque son placas deflectoras situadas transversalmente a la cámara de reacción (1) para modificar la dinámica del flujo.
  13. 13.
    Aparatoparala generaciónde llamas hidrotermales, segúnla reivindicación1, caracterizado porque el inyector (9) es de tipo tubular.
  14. 14.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, mediante el aparato definido en una cualquiera de las reivindicaciones1 a 13, caracterizado porque comprende las siguientesfases:
    i) generar las condicionesde temperaturaypresióna las que se alcanzala ignicióndela materia orgánica en el interior de la cámara de reacción (1);
    ii) introduciratravésdelinyector(9) unos reactivos(17)y uncomburente(18)a temperaturapor encima delade autoigniciónde los reactivos (17), parala generacióndela llama hidrotermal ala salida del inyector (10);
    iii) introducir el fluido refrigerante presurizado (5) por el hueco (4) existente entre la carcasa de presión (3) yla cámarade reacción(1)parala refrigeracióndela carcasade presión(3);y,
    iv) disolver en el fluido refrigerante (5) las sales que se precipiten al fondo (12) de la cámara de reacción
    (3)yhacersaliralexteriordichofluido(5)conlassales disueltasatravésdelos orificios(7)delfondo
    (12) de la carcasa de presión (3).
  15. 15.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque el aparato trabaja a temperaturas de hasta 800ºC en el interior de la cámara de reacción (1).
  16. 16.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque la cámarade reacción(1)trabajaa temperaturasporencimade374ºCy apresionesporencimade22.1MPa.
  17. 17.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque la cámarade reacción(1)trabajaa temperaturasporencimade374ºCy apresionespordebajode22.1MPa.
  18. 18.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque los reactivos(17)yelcomburente(18)queseinyectanenlafaseii) estána temperaturasde entre20y500ºCya presiones mayores de 22.1 MPa.
  19. 19.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque el fluido refrigerante(5)empleadoenlafasei)está seleccionado entreaguafríaysalmuera.
  20. 20.Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque los reactivosyelcomburente empleadosenlafaseii)sonun materialcombustible como reactivo(17)ycomocomburente
    (18) un fluido seleccionado entre peróxidode hidrógenoyoxígeno mezclado en cualquierproporción con nitrógeno.
  21. 21.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque la carcasa de presión (3) soporta presiones de hasta 30 MPa.
  22. 22.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 14, caracterizado porque en la faseii)seinyectajuntoconlosreactivos(17)ycomburente(18)un materialparalagasificacióndedicho materialsobre lallama hidrotermalen condicionesenlasqueelcomburente(18)estáenuna proporcióninferiorala estequiométrica.
  23. 23.
    Procedimiento de generación de llamas hidrotermales, según la reivindicación 22, caracterizado porque el material paralagasificación comprende sustancias orgánicas.
  24. 24.Usodel aparato, definidoen una cualquieradelasreivindicaciones1 a13,parala destrucciónde residuosen agua supercrítica.
  25. 25. Uso de losgases producidos en agua supercrítica en el interior del aparato, definido en una cualquiera de las reivindicaciones1 a13, parala producciónde energía.
  26. 26.Usodel aparato, definidoen una cualquieradelasreivindicaciones1 a13,parala precipitaciónde partículas por calentamiento súbito de una corriente acuosa en la llama hidrotermal.
  27. 27.Usodel aparato, definidoenuna cualquieradelasreivindicaciones1 a13,paralagasificaciónde sustancias sobre la llama hidrotermal.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201031599
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 29.10.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    51 Int. Cl. : C02F1/72 (2006.01) B01J19/26 (2006.01)
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoría
    56 Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X
    ES 2219567 T3 (COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE) 01.12.2004, página 3, línea 26 – página 9, línea 4; figura 1. 1-3,8-13,24,26-27
    A
    ES 2108627 A1 (UNIV VALLADOLID; EMPRESA PARA LA GESTION DE RESIDUOS INDUSTRIALES) 16.12.1997, columna 2, línea 50 – columna 6, línea 11; figura 1. 1-27
    A
    WO 0240412 A1 (HYDROPROC L L C) 23.05.2002, página 3, línea 29 – página 7, línea 13; figura 1. 1-27
    A
    AUGUSTINE, C.; TESTER, J. W. "Hydrothermal flames: From phenomenological experimental demonstrations to quantitative understanding" Journal of Supercritical Fluids. 2009. Vol. 47, N°. 3, páginas 415-430; resumen y experimental. 1-27
    A
    WO 9302969 A1 (UNIV TEXAS) 18.02.1993, página 4, línea 11 – página 8, línea 37. 1-27
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones □ para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realización del informe 02.02.2012
    Examinador M. García González Página 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201031599
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) C02F, B01J Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, TXT, NPL, XPESP
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031599
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 02.02.2012
    Declaración
    Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 4-8,14-23,25 1-3,9-13,24,26-27 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
    Reivindicaciones Reivindicaciones 4-7,14-23,25 1-3,8-13,24,26-27 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opinión.
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINIÓN ESCRITA
    Nº de solicitud: 201031599
    1. Documentos considerados.
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
    D01
    ES 2219567 T3 (COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE) 01.12.2004
  28. 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración
    El objeto de la invención es un aparato y procedimiento para la generación de llamas hidrotermales, así como la aplicación de los mismos para descontaminación de agua, producción de energía y gasificación de sustancias.
    El documento D01 se refiere a un dispositivo para la oxidación de materiales contaminantes en agua supercrítica que comprende un inyector (35), una cámara de reacción (19) con abertura para la entrada de fluido refrigerante (9), una carcasa de presión (3) que rodea a la cámara de reacción quedando un espacio (21) entre ellas y con un orificio (11) para la salida del material tratado, y un medio de agitación (29) con hélices o palas para mejorar la transferencia de calor y mantener la sales que puedan precipitar en suspensión. El fluido refrigerante que se aporta por la abertura (9) circula por el espacio (21) y entra en la cámara de reacción por la parte inferior. (ver figura 1)
    Este documento también divulga un procedimiento de tratamiento de efluentes orgánicos contaminantes por oxidación hidrotermal en el que se introduce agua y un oxidante en la zona anular del reactor, se calienta a una temperatura superior a 374ºC, se introduce la mezcla anterior en la cámara de reacción simultáneamente con el material a tratar para que tenga lugar su oxidación, se enfría la mezcla y se evacua al exterior. (ver página 3, líneas 26-43)
    En consecuencia, las reivindicaciones 1-3, 9-13, 24 y 26-27 de la solicitud carecen de novedad a la luz de lo divulgado en el documento D01. (Art. 6 LP)
    En cuanto a la reivindicación dependiente 8 referente a la forma cónica del fondo de la carcasa de presión, se considera que entra dentro del alcance del experto en la materia, que adoptaría esta solución con el fin de facilitar la deposición de las sales que se generan en la cámara de reacción sin el ejercicio de actividad inventiva.
    En consecuencia, la reivindicación 8 de la solicitud carece de actividad inventiva a la luz de lo divulgado en el documento D01. (Art. 8 LP)
    Ninguno de los documentos citados o cualquier combinación relevante de los mismos divulga un dispositivo para la generación de llamas hidrotermales que presente un orificio en la parte superior de la cámara de reacción y carcasa de presión por el que se introduzca el inyector, siendo el diámetro de éste menor que el del orificio, tal como se recoge en las reivindicaciones 4-7 de la solicitud, con la ventaja asociada de permitir la salida de los gases efluentes generados en la cámara de reacción sin que se mezclen con el agua de refrigeración, lo que permite que salgan con mayor temperatura y puedan emplearse para la generación de energía.
    En consecuencia, la invención tal y como se recoge en las reivindicaciones 4-7 de la solicitud es nueva y se considera que implica actividad inventiva (Art. 6 y 8 LP).
    Así mismo, ninguno de los documentos citados o cualquier combinación relevante de los mismos divulga un procedimiento de generación de llamas hidrotermales con las etapas de generar en la cámara de reacción la temperatura y presión de ignición de la materia orgánica a tratar, introducir los reactivos y comburente a temperatura superior a la de autoignición de los reactivos, introducir el fluido refrigerante por el hueco entre la cámara de reacción y la carcasa de presión, y disolver en el fluido refrigerante las sales que han precipitado durante el proceso, haciéndolas salir por el fondo de la carcasa de presión, tal como se define en la reivindicación 14 de la solicitud.
    En consecuencia, la invención tal y como se recoge en las reivindicaciones 14-23 y 25 de la solicitud es nueva y se considera que implica actividad (Art. 6 y 8 LP).
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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