ES2839076T3 - Reactor con inyector de gas y método para la pirolisis rápida catalítica - Google Patents

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Abstract

Un método para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa que comprende: alimentar un primer reactivo que comprende la biomasa a un reactor mediante la inyección en un chorro de gas; someter a pirolisis dentro del reactor al menos una parte de la biomasa en presencia de un catalizador añadido bajo condiciones de reacción suficientes para producir uno o más productos de pirolisis; y hacer reaccionar catalíticamente al menos una parte del uno o más productos de pirolisis bajo condiciones de reacción suficientes para producir el uno o más productos de hidrocarburo fluidos; y en donde el chorro de gas comprende un fluido portador y la biomasa, en donde el chorro de gas entra en el reactor a través de un puerto de alimentación y en donde el fluido portador fluye a través del puerto de alimentación con una velocidad lineal de al menos 25 cm/s; y en donde la biomasa se alimenta dentro del reactor a través de un puerto de alimentación en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 25 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor; y en donde el catalizador se alimenta al reactor de manera separada de la biomasa.

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor con inyector de gas y método para la pirolisis rápida catalítica
Campo de la invención
Esta invención se refiere a métodos para la producción de compuestos bioquímicos tales como el biocombustible, compuestos aromáticos y compuestos de olefina, y más específicamente, a métodos de alimentación del proceso, sistemas, y aparatos para la producción de combustibles y compuestos químicos por pirolisis rápida catalítica.
Antecedentes
La mejora de la biomasa requiere la alimentación de una diversidad de materiales sólidos particulados tales como virutas de madera, serrín, residuos de jardinería, recortes, otra vegetación; productos agrícolas y desechos agrícolas (por ejemplo, rastrojos de maíz, bagazo, fruta, desperdicios, forraje, etc.); cultivos energéticos (por ejemplo, pasto varilla (“switchgrass”), miscanto); algas y otras plantas marinas; residuos metabólicos (por ejemplo, estiércol, aguas residuales); y residuos urbanos celulósicos etc., a un lecho fluidizado de catalizador para pirolisis rápida catalítica. La biomasa parcialmente mejorada o convertida, tal como aceites de pirolisis, carbohidratos, productos de digestión o similares, que con frecuencia son líquidos o semisólidos, también se podría usar en el proceso, o bien sola o en combinación con suministros sólidos.
El proceso de pirolisis rápida catalítica (CFP, del inglés “Catalytic Fast Pyrolisis”) de biomasa requiere la conversión de una diversidad de materiales de alto peso molecular tal como lignina, celulosa, y hemicelulosa, por pirolisis en presencia de un catalizador, preferiblemente un catalizador ácido, microporoso, normalmente una zeolita. La zeolita es activa para la mejora de los productos de pirolisis primarios de descomposición de biomasa, y los convierte en compuestos aromáticos, olefinas, CO/CO2 , residuo carbonoso (“char”), coque, agua y otros materiales útiles.
Para que el proceso de pirolisis rápida catalítica (CFP) sea eficaz la biomasa no se debe calentar por encima de la temperatura a la que comienza la pirolisis, generalmente aproximadamente 150 a 200 °C, antes que esté en la proximidad del catalizador para maximizar la interacción de los productos de pirolisis primarios con el catalizador para la conversión en compuestos aromáticos, olefinas y otros materiales útiles. Al mismo tiempo, cuando se calienta la biomasa, se debe calentar muy rápidamente, a tasas de calentamiento de como mucho 500 °C/s, para minimizar la formación de residuo carbonoso y maximizar la producción de materiales útiles. Por tanto, un problema en la pirolisis rápida y la pirolisis rápida catalítica de la biomasa es cómo se introduce el suministro de biomasa en el reactor de pirolisis, evitando que se caliente prematuramente en la línea de alimentación donde puede formarse residuo carbonoso y sin embargo calentándolo muy rápidamente una vez que entre en la zona de reacción.
Se han usado dispositivos de alimentación por tornillo sin fin para alimentar la biomasa a reactores de lecho fluidizado, pero el caudal lineal de la biomasa es relativamente lento en el alimentador tipo tornillo sin fin, por tanto la biomasa puede calentarse cuando se acerque al lecho de catalizador caliente, dando como resultado la formación de residuo carbonoso y bajos rendimientos de compuestos aromáticos y olefinas. La pirolisis parcial prematura de la biomasa también libera intermediarios oleaginosos que pueden atascar el movimiento del tornillo sin fin. La ampliación del sistema de alimentación tipo tornillo sin fin también es problemática puesto que un tornillo sin fin que se extiende dentro del centro de un reactor grande necesariamente llegaría a estar bastante caliente o requeriría enfriamiento que desperdicia calor y enfría el lecho del reactor. La presente invención supera los problemas implicados en la alimentación de biomasa dentro de un reactor de pirolisis rápida, caliente o de pirolisis rápida catalítica, caliente mediante el uso de un chorro de gas para alimentar la biomasa en el lecho fluido.
En el documento US 6105275, se describen un aparato de retorta al vacío rotativo continuo y su uso. La patente menciona el uso de válvulas de pinzamiento elastoméricas usadas para crear un sello de aire en una retorta al vacío pero no funciona bajo presiones elevadas o como sistema de alimentación para un lecho fluido catalizado. En el documento EP 0075899, se describe un proceso para transferir sólidos en el que se usa un gas como una barrera para dosificar los sólidos entre dos recipientes de presión controlada. En el documento EP 0820419 B1, se describe un sello de aire para transporte neumático y separación de sólidos del aire transportador que emplea un sello de aire rotativo para retirar los sólidos de la corriente de aire transportadora. En el documento WO 9618564 A1, se describe un sello de aire de eje vertical que usa juntas mecánicas rotatorias. En el documento WO 2013095163 A1, se describe un aparato de pirolisis continua en donde ocurre la pirolisis sobre un tornillo sin fin con material admitido y expulsado mediante el uso de los sellos de aire. Sin estructura de sello de aire especificada más allá de “válvulas”. En el documento US 20130019492, se describe un sistema para el tratamiento continuo de sólidos a presión no atmosférica usando un sello de aire semidiscontinuo que se carga con suficiente material para abastecer continuamente un proceso antes de ser recargado como en un sistema de tolva de cierre típico.
Asadullah et al. en “Biomass gasification to hydrogen and syngas at low temperature: novel catalytic system using fluidized-bed reactor”, J. Catal. 208, 255-259 (2002), describieron un sistema de combustión experimental en el que la celulosa se transportaba continuamente dentro de un lecho de catalizador fluidizado a través de una salida de 5 mm en una tolva de alimentación mediante el flujo de gas N2 a través de un tubo interno de 5 mm de diámetro interior en un tubo concéntrico de 18 mm de diámetro interior que contenía un lecho de catalizador que contenía catalizador Rh/CeO2/SiO2. La celulosa se convirtió en hidrógeno y CO.
Eastham et al. en los documentos US 5968460 y US 5175943 describen métodos de adición continua de sólidos a un proceso de combustión conducido en un lecho fluidizado desde un surtidor que tiene un ángulo que tiene una curva para retener los sólidos. El surtidor contiene entradas de gas para mantener la presión ligeramente por encima de aquella en el lecho fluidizado. Los gases añadidos al surtidor se pueden usar para someter a fluidización los sólidos en el surtidor y disminuir la unión de las partículas.
Medoff en el documento US 2012/0094355 describe un proceso no catalítico en el que se pueden añadir los gases presurizados a una corriente de materia prima derivada de biomasa para impulsar la materia prima dentro de una cámara de pirolisis para producir azúcares o aminoácidos.
Jones, en el documento US 4474119 describe un horno de combustión de lecho fluidizado en el que se añade caliza áspera a través de una boquilla en el lecho fluidizado y se añaden finos sólidos junto con el fluido de fluidización. Los sólidos de alimentación finos se pueden añadir tangencialmente.
Rozainee et al, en “Effect of feeding methods on the rice husk ash quality in a fluidised bed combustor”, Emirates J. Eng. Res., 15, 1-12 (2010), publicaron los resultados de un estudio en el que se alimentan cascarillas de arroz por inyección de gas en una cámara de combustión de lecho fluidizado desde una entrada inclinada en un ángulo de 45°. Se publicó que la ceniza producida en la combustión cuando el suministro entró en la cámara de reacción desde una entrada tangencialmente dispuesta era de menor tamaño de partícula y menor contenido de carbono que la ceniza producida con alimentación radial.
North et al. (Nova Pangea Technologies) en la Solicitud de Patente US 20110100359 describe un proceso de 5 etapas que incluye arrastre de los sólidos de la biomasa en un flujo de vapor supercalentado en un circuito de vapor para causar que las células exploten antes de la introducción de la biomasa en un reactor de hidrolisis y la condensación de los materiales que contienen azúcar hidrolizada. Zielinski et al. en el documento US 4309948 describe la administración de una corriente arrastrada de partículas sólidas carbonadas a un lecho de catalizador a través de un tapón en forma de seta. Wachter en el documento US 5688472 describe el uso de flujo descendente de gas a través de un anillo para someter a fluidización un lecho del reactor. Klajay et al. en el documento US 2012/0251959 divulga un sistema de alimentación de combustible de lecho fluidizado que introduce el combustible sólido a lo largo de un canal en la pared dentro de una sección de rejilla para incrementar el tiempo del calentamiento del combustible para secar el combustible, es decir, reducir la tasa de calentamiento, antes de entrar en el lecho fluido turbulento. Bartek en el documento US 8523496 describe un proceso para la alimentación de biomasa a un reactor para la conversión en hidrocarburos oxigenados que utiliza una pieza de carrete adaptada para transportar los sólidos desde una presión inferior a una presión superior; sin embargo, aparte del incremento de presión, no se toman etapas para controlar las condiciones de inyección o reducir el precalentamiento de la biomasa.
El documento CN 1730178 A divulga un método y sistema para la pirolisis de biomasa. El documento WO 2011/031320 A2 divulga métodos para la producción de compuestos bioquímicos tales como biocombustible, compuesto aromático y compuestos de olefina.
Por tanto, hay una necesidad de un proceso y aparato para la alimentación de biomasa a un lecho fluido o reactor similar que minimice el calentamiento prematuro de la biomasa y lo mezcle rápidamente con los materiales en el reactor.
Compendio de la invención
La presente invención comprende un novedoso sistema de alimentación para introducir la biomasa en un reactor de pirolisis, tal como un reactor de lecho fluido de pirolisis rápida catalítica (CFP), que emplea una corriente de chorro de gas o vapor para inyectar las partículas de biomasa en el lecho fluido. La biomasa se mantiene relativamente fría, se puede dosificar corriente arriba de un chorro de gas, y se puede inyectar lejos en el lecho fluido. Se puede asegurar la buena mezcla entre la biomasa relativamente más fría con el catalizador caliente y otros materiales en el lecho fluido mediante ajuste del número, tamaño, ángulo, posición, y caudal de los múltiples puertos del inyector en reactores mayores. Además, la invención puede comprender un sistema de dosificación de la alimentación automatizado que comprende válvulas de pinzamiento y un tanque de retención que permite la realización del proceso de CFP a mayor presión mientras que permite que se mantenga la alimentación a presiones inferiores e inyecta la biomasa en partes distintas que penetra más en el reactor aumentando la mezcla y el rápido calentamiento de la biomasa.
En un primer aspecto, la invención proporciona un método para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa que comprende: alimentar un primer reactivo que comprende la biomasa a un reactor mediante la inyección en un chorro de gas; someter a pirolisis dentro del reactor al menos una parte de la biomasa bajo condiciones de reacción suficientes para producir uno o más productos de pirolisis; y hacer reaccionar catalíticamente al menos una parte del uno o más productos de pirolisis bajo condiciones de reacción suficientes para producir el uno o más productos de hidrocarburo fluidos; y además
en donde el chorro de gas comprende un fluido portador y la biomasa,
en donde el chorro de gas entra en el reactor a través de un puerto de alimentación y
en donde el fluido portador fluye a través del puerto de alimentación con una velocidad lineal de al menos 25 cm/s; y en donde el material hidrocarbonado sólido se alimenta en el reactor a través de un puerto de alimentación en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 25 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor; y
en donde el catalizador se alimenta al reactor de manera separada de la biomasa.
En algunos aspectos preferidos, la velocidad lineal del fluido portador en el puerto de alimentación es de al menos 50 cm/s, 100 cm/s, 150 cm/s, o al menos 200 cm/s, o al menos 225 cm/s, o al menos 250 cm/s, o al menos 300 cm/s, o de 25 cm/s a 10.000 cm/s, o de 50 a 7.000 cm/s, o de 100 a 5.000 cm/s, o de 200 a 5.000 cm/s, o de 225 a 5.000 cm/s.
En algunos aspectos preferidos, la relación de caudal de gas inyectado con el material hidrocarbonado sólido y el caudal de gas introducido a través del puerto de fluidización es menor que 0,1, menor que 0,25, menor que 0,5, menor que 1, menor que 2, menor que 3, menor que 5, o menor que 10. En algunas realizaciones preferidas, la velocidad espacial de la biomasa en comparación con el catalizador contenido en el reactor es de al menos 0,1, al menos 0,2, al menos 0,3, al menos 0,4, al menos 0,5, al menos 0,8, o al menos 1,0, o de 0,1 a 2,0.
Una ventaja de los métodos y sistemas inventivos es rendimiento mejorado de compuestos aromáticos; preferiblemente el rendimiento en porcentaje en carbono de compuestos aromáticos más olefinas es de al menos el 15%, al menos el 20%, al menos el 25%, al menos el 30%, o al menos el 35%. En algunas realizaciones preferidas, el rendimiento en porcentaje en carbono de para- y metaxileno es de al menos el 0,5%, al menos el 1,0%, al menos el 1,5%, al menos el 2,0%, o al menos el 2,5%. En algunas realizaciones preferidas, el rendimiento en porcentaje en carbono de metano es menor que el 10%, menor que el 5%, menor que el 4%, menor que el 3%, menor que el 2% o menor que el 1,5%.
En algunas realizaciones preferidas, el tiempo de residencia del gas de fluidización en contacto con el lecho de catalizador es de al menos 0,1, al menos 0,2, al menos 0,3, al menos 0,5, al menos 0,7, al menos 1,0, al menos 2,0, al menos 3,0 segundos, o al menos 5,0 segundos, o al menos 10,0 segundos, o al menos 20 segundos, y en algunas realizaciones menor que 60 segundos, o menor que 40 segundos.
En algunos aspectos, el catalizador se alimenta de una manera continua o semicontinua al reactor y el catalizador se retira de una manera continua o semicontinua del reactor.
En algunas realizaciones preferidas, la biomasa se alimenta dentro del reactor a través de un puerto de alimentación en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 35 grados, al menos 45 grados, al menos 50 grados, o al menos 62 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor, en donde el ángulo máximo del puerto de alimentación es de aproximadamente 90°.
En algunas realizaciones preferidas, un gas para el chorro de gas se lleva a través de un tubo de flujo portador que lleva el gas dentro del suministro, y en donde el ángulo que el tubo de flujo portador forma con la horizontal es mayor que el ángulo en el que el tubo de alimentación de biomasa entra en el reactor de pirolisis, siendo ambos valores positivos.
En algunas realizaciones, la relación del caudal de gas inyectado con la biomasa y el caudal de gas introducido a través del puerto de fluidización está entre 0,05 y 5, o entre 0,1 y 5, o entre 0,1 y 2.
En algunas realizaciones, la biomasa se alimenta en pulsos discontinuos en la alimentación de gas. En algunas realizaciones preferidas, la frecuencia de los pulsos de la biomasa alimentada a partir de cualquier puerto de alimentación está en el intervalo de uno cada 0,2 segundos y un pulso cada 60 segundos. En algunas realizaciones, la duración del flujo durante un pulso individual desde un puerto de alimentación único está entre 0,05 segundos y 30 segundos de duración.
En otro aspecto, la invención proporciona un sistema para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa que comprende una zona de pirolisis en la que se introduce una biomasa mediante inyección en una corriente de gas fluida, se introduce un catalizador sólido, y al menos una parte de la biomasa se somete a pirólisis y reacciona catalíticamente bajo condiciones de reacción suficientes para producir uno o más productos de pirolisis como se define en la reivindicación 12.
Este sistema además se puede caracterizar por una o más de las características anteriormente descritas con respecto al primer aspecto. Preferiblemente, la biomasa se introduce mediante la inyección en una corriente de gas fluida en un reactor que comprende un lecho fluidizado, y en donde, antes de la introducción al lecho fluidizado, la biomasa se mantiene a una temperatura menor que 150 °C, o menor que 100 °C, o se mantiene con un intervalo de temperaturas de 20 °C a 300 °C, 20 °C a 200 °C, 20 °C a 150 °C, o 20 °C a 100 °C (como con otros rasgos descritos en la presente memoria, estos intervalos de temperatura también se aplican a realizaciones preferidas de los métodos y el funcionamiento del aparato; la invención también se puede caracterizar por tener estos intervalos de temperatura en el tubo de alimentación, y preferiblemente en combinación con la ausencia de un tornillo sin fin puesto que un tornillo sin fin puede incrementar la temperatura en el tubo de alimentación). En algunas realizaciones preferidas, la biomasa se alimenta en el reactor a través de un puerto de alimentación en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 35 grados, al menos 45 grados, al menos 50 grados, o al menos 62 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor, en donde el ángulo máximo del puerto de alimentación es de aproximadamente 90°.
Cualquiera de los rasgos discutidos con respecto a los métodos también pueden incorporarse dentro de los sistemas de la invención. Por ejemplo, parecido a lo que se discutió anteriormente, se puede llevar un gas para el chorro de gas a través de un tubo de flujo portador que lleva el gas dentro del suministro, y en donde el ángulo que el tubo de flujo portador forma con la horizontal es mayor que el ángulo en el que el tubo de alimentación de biomasa entra en el reactor de pirolisis, siendo ambos valores positivos. La biomasa se alimenta en pulsos discontinuos en la alimentación de gas. La frecuencia de los pulsos de alimentación de biomasa desde un puerto de alimentación cualquiera está en el intervalo de uno cada 0,2 segundos a un pulso cada 60 segundos. En algunas realizaciones, la duración del flujo durante un pulso individual desde un puerto de alimentación único está entre 0,05 segundos y 30 segundos de duración.
En otro aspecto, la invención proporciona un aparato para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa, dicho aparato comprende en combinación: una cámara de reacción de pirolisis; al menos un tubo de alimentación por el cual se puede introducir el material hidrocarbonado sólido mediante inyección asistida por gas en la cámara de reacción de pirolisis, en donde el ángulo a del puerto de alimentación es de al menos 25 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor;
una estructura de administración separada por la cual se puede introducir el catalizador sólido en el mismo; una línea de entrada de gas de fluidización que conecta con una parte inferior de dicha cámara de reacción para introducir un gas de fluidización; un conducto de salida del catalizador; y un conducto de salida del producto del cual los productos en fase de vapor pueden salir del reactor. En algunas realizaciones preferidas, el ángulo a del puerto de alimentación es de al menos 35 grados, al menos 45 grados, al menos 50 grados, o al menos 62 grados desde la horizontal, en donde el ángulo máximo del puerto de alimentación es de aproximadamente 90°. Las estructuras de administración para la administración de catalizador a los reactores de pirolisis son conocidas en la técnica. En algunas realizaciones preferidas, el aparato además comprende un tubo de flujo portador que está adaptado a llevar el gas dentro del suministro, y en donde el ángulo que el tubo de flujo portador forma con la horizontal es mayor que el ángulo en el que el tubo de alimentación de biomasa entra en el reactor de pirolisis, siendo ambos valores positivos.
En algunas realizaciones preferidas, una estructura de administración por la cual se puede introducir un catalizador sólido a la cámara de reacción de pirolisis comprende un tubo que contiene partículas de catalizador.
En realizaciones preferidas, durante el funcionamiento del aparato, antes de la introducción al lecho fluidizado, la biomasa se mantiene a una temperatura menor que 300 °C, o menor que 200 °C o menor que 150 °C, o menor que 100 °C, o se mantiene con un intervalo de temperaturas de 20 °C a 300 °C, 20 °C a 200 °C, 20 °C a 150 °C, o 20 °C a 100 °C.
En un aspecto adicional, el método o sistema para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa comprende: alimentar un primer reactivo que comprende el material hidrocarbonado sólido a un reactor de lecho fluidizado que comprende un distribuidor mediante inyección de la biomasa en un chorro de gas o chorros de gas a través de un puerto o puertos, en donde el gas portador en el chorro de gas está a una temperatura de menos de 200 °C, para formar una mezcla gaseosa que comprenda partículas sólidas suspendidas en una sección inferior del reactor que tiene una temperatura normalizada en el intervalo de 100 a 600 °C; pirolisis dentro de una sección superior del reactor de al menos una parte de la mezcla gaseosa que comprende partículas sólidas suspendidas en una reacción catalizada a una temperatura de al menos 500 °C para producir uno o más productos de pirolisis; en donde la sección superior está por encima de la sección inferior con respecto a la gravedad; en donde la sección inferior comprende un volumen que incluye un diámetro interior del reactor de lecho fluidizado y una altura que es de al menos 2% de la altura total del reactor, y en donde la sección superior comprende un volumen que incluye un diámetro interior del reactor de lecho fluidizado y una altura que es de al menos el 5% de la altura total del reactor; en donde las secciones inferiores y superiores están ambas por encima del distribuidor. Preferiblemente, el método o el sistema además comprende alimentación de un gas de fluidización en la sección inferior. También, preferiblemente, el gas de fluidización pasa a través de un distribuidor antes de entrar en la sección inferior. En algunas realizaciones, la sección inferior no contiene ninguna bandeja de catalizador y la sección superior comprende al menos una bandeja de catalizador. En algunas realizaciones, la sección inferior contiene menos del 10% en peso del catalizador total en el reactor y la sección superior comprende al menos el 50% en peso del catalizador total en el reactor. En algunas realizaciones, la sección superior tiene una temperatura en el intervalo de 500 a 800 °C.
En un aspecto adicional, el sistema para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa comprende: un reactor de lecho fluidizado que comprende una sección inferior y una sección superior; en donde la sección inferior comprende una mezcla gaseosa y sólidos de biomasa suspendidos, en donde la mezcla gaseosa está en el intervalo de temperatura de 100 a 400 °C (preferiblemente 200 a 350 °C); y en donde la sección superior comprende una suspensión de partículas de catalizador y biomasa completa o parcialmente pirolizada y en donde la sección superior comprende una temperatura de al menos 500 °C. Preferiblemente, la sección inferior está dispuesta inmediatamente por encima de un distribuidor y la sección inferior comprende una entrada del inyector de gas a través de la cual se introduce un gas que porta biomasa y en donde un gas de fluidización que no contiene biomasa pasa a través del distribuidor y forma una mezcla con el gas que porta la biomasa que fluye dentro del reactor a través del inyector de gas.
Se debería entender que las descripciones en la presente memoria son para ser leídas en líneas generales y cualquiera de los métodos, aparatos y sistemas pueden incorporar cualquiera de los rasgos discutidos por toda esta memoria.
Glosario
Compuestos aromáticos - Como se usa en la presente memoria, los términos “aromáticos” o “compuesto aromático” se usan para referirse a un compuesto o compuestos de hidrocarburo que comprenden uno o más grupos aromáticos tal como, por ejemplo, sistemas de anillo aromático único (por ejemplo, bencilo, fenilo, etc.) y sistemas de anillo aromático policíclico fusionado (por ejemplo, naftilo 1,2,3,4-tetrahidronaftilo, etc.). Ejemplos de compuestos aromáticos incluyen, pero no se limitan a, benceno, tolueno, indano, indeno, 2-etil tolueno, 3-etil tolueno, 4-etil tolueno, trimetil benceno (por ejemplo, 1,3,5-trimetil benceno, 1,2,4-trimetil benceno, 1,2,3-trimetil benceno, etc.), etilbenceno, estireno, cumeno, metilbenceno, propilbenceno, xilenos (por ejemplo, p-xileno, m-xileno, o-xileno), naftaleno, metil-naftaleno (por ejemplo, 1-metil naftaleno, antraceno, 9,10-dimetilantraceno, pireno, fenantreno, dimetil-naftaleno (por ejemplo, 1,5-dimetilnaftaleno, 1,6-dimetilnaftaleno, 2,5-dimetilnaftaleno, etc.), etil-naftaleno, hidrindeno, metil-hidrindeno, y dimetil-hidrindeno. También se pueden producir compuestos aromáticos de anillo único y/o anillo superior en algunas realizaciones. Los compuestos aromáticos también incluyen compuestos de anillo único y múltiple que contienen sustituyentes de heteroátomo, es decir, fenol, cresol, benzofurano, etc.
Biomasa - Como se usa en la presente memoria, al término “biomasa” se le da su significado convencional en la técnica y se usa para referirse a cualquier fuente orgánica de energía o compuesto químico que sea renovable. Sus componentes principales pueden ser: (1) árboles (madera) y toda otra vegetación; (2) productos y desechos agrícolas (maíz, fruta, forraje desechos, etc.); (3) algas y otras plantas marinas; (4) residuos metabólicos (estiércol, aguas residuales), y (5) residuos urbanos celulósicos. Ejemplos de materiales de biomasa se describen, por ejemplo, en Huber, G.W. et al., “Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts, and engineering”, Chem. Rev. 106, (2006), pp. 4.044-4.098.
La biomasa convencionalmente se define como el material biológico vivo y recientemente muerto que puede ser convertido para su uso como combustible o para la producción industrial. Los criterios para la biomasa es que el material debería estar participando recientemente en el ciclo del carbono de manera que la liberación de carbono en el proceso de combustión da como resultado ningún incremento neto promedio durante un periodo de tiempo razonablemente corto (por esta razón, los combustibles fósiles tales como turba, lignito y carbón no son considerados biomasa por esta definición ya que contienen carbono que no ha participado en el ciclo de carbono durante un largo tiempo de manera que su combustión da como resultado un incremento neto en el dióxido de carbono atmosférico). Lo más comúnmente, la biomasa se refiere a una materia vegetal cultivada para su uso como biocombustible, pero también incluye materia vegetal y animal usada para la producción de fibras, compuestos químicos o calor. La biomasa también puede incluir residuos biodegradables o subproductos que pueden quemarse como combustible o convertirse en compuestos químicos, incluyendo los residuos municipales, desechos verdes (el residuo biodegradable comprendido de residuos de jardín o parque, tal como cortes de hierba o flores y recortes de setos), subproductos de granja incluyendo estiércol animal, residuos del procesamiento de alimentos, lodo de aguas residuales, licor negro de pulpa de madera o algas. La biomasa excluye material orgánico que se ha transformado por procesos geológicos en sustancias tales como carbón, esquisto bituminoso o petróleo. La biomasa se produce mucho y generalmente a partir de plantas, incluyendo miscanto, euforbia, girasoles, pasto varilla (“switchgrass”), cáñamo, maíz, álamo, sauce, caña de azúcar y palma aceitera (aceite de palma) siendo las raíces, los tallos, las hojas, las cáscaras de la semilla y los frutos todos potencialmente útiles. La fuente vegetal particular u otra fuente de biomasa usada no es importante al compuesto químico o combustible producto aunque el procesamiento de la materia prima para la introducción a la unidad de procesamiento variará de acuerdo con las necesidades de la unidad y la forma de la biomasa.
Derivado de biomasa - Cualquiera de los productos, procesos, y/o sistemas descritos en la presente memoria adicionalmente se pueden caracterizar por el hecho de que son derivados de biomasa, significando que los productos son al menos parcialmente derivados de biomasa, y, en la mayoría de los casos son 100% o casi 100% derivados de biomasa. Como es bien conocido, la presencia de material derivado de biomasa puede verificarse fácilmente por la presencia de 14C, el cual está presente en concentraciones significativamente inferiores en combustibles fósiles.
Líquido de pirolisis de biomasa - El líquido de pirolisis de biomasa o bioaceite es la fracción líquida que se puede aislar de una reacción de pirolisis de biomasa. El líquido de pirolisis de biomasa es normalmente marrón oscuro y se aproxima a la biomasa en la composición elemental. Está compuesto de una mezcla muy compleja de hidrocarburos oxigenados con una proporción apreciable de agua de tanto la humedad original como el producto de reacción. Composicionalmente, el aceite de pirolisis de biomasa variará con el tipo de biomasa, pero se sabe que consiste en alcoholes de peso molecular bajo oxigenados (por ejemplo, alcohol furfurílico), aldehídos (aldehídos aromáticos), cetonas, (furanona), fenoles (metoxi fenoles) y agua. El residuo carbonoso sólido también puede estar presente, suspendido en el aceite. El líquido se forma enfriando rápidamente los productos intermedios de la pirolisis instantánea de hemicelulosa, celulosa y lignina en la biomasa. Químicamente, el aceite contiene varios cientos de compuestos químicos diferentes en proporciones muy distintas, que oscilan de formaldehído y ácido acético a fenoles de alto peso molecular complejos, anhidroazúcares y otros oligosacáridos. Tiene un olor distintivo de los aldehídos de bajo peso molecular y ácidos, es normalmente ácido con un pH de 1,5 a 3,8, y puede ser un irritante.
Catalizadores - Los componentes catalizadores útiles en el contexto de esta invención se pueden seleccionar a partir de cualquier catalizador conocido en la técnica, o como lo entenderían los expertos en la técnica. Los catalizadores promueven y/o efectúan reacciones. Por tanto, como se usa en la presente memoria, los catalizadores bajan la energía de activación (incrementan la tasa) de un proceso químico, y/o mejoran la distribución de los productos o intermediarios en una reacción química (por ejemplo, un catalizador selectivo a la configuración). Ejemplos de reacciones que se pueden catalizar incluyen: deshidratación, deshidrogenación, isomerización, transferencia de hidrógeno, aromatización, descarbonilación, descarboxilación, condensación de aldol, polimerización, y combinaciones de las mismas. Los componentes catalizadores pueden considerarse ácidos, neutros o básicos, como lo entenderían los expertos en la técnica.
Para la pirolisis catalítica rápida, catalizadores particularmente ventajosos incluyen aquellos que contienen porosidad interna seleccionada de acuerdo con el tamaño de poro (por ejemplo, tamaños mesoporosos y de poro generalmente asociados con zeolitas), por ejemplo, tamaños de poro medios de menos de aproximadamente 100 Angstroms (10 nm), menos de aproximadamente 50 Angstroms (5 nm), menos de aproximadamente 20 Angstroms (2 nm), menos de aproximadamente 10 Angstroms (1 nm), menos de aproximadamente 5 Angstroms (0,5 nm), o menores. En algunas realizaciones, se pueden usar catalizadores con tamaños de poro medios de aproximadamente 5 Angstroms (0,5 nm) a aproximadamente 100 Angstroms (10 nm). En algunas realizaciones, se pueden usar catalizadores con tamaños de poro medios de entre aproximadamente 5,5 Angstroms (0,55 nm) y aproximadamente 6,5 Angstroms (0,65 nm), o entre aproximadamente 5,9 Angstroms (0,59 nm) y aproximadamente 6,3 Angstroms (0,63 nm). En algunos casos, se pueden usar catalizadores con tamaños de poro medios de entre aproximadamente 7 Angstroms (0,7 nm) y aproximadamente 8 Angstroms (0,8 nm), o entre aproximadamente 7,2 Angstroms (0,72 nm) y aproximadamente 7,8 Angstroms (0,78 nm). Los catalizadores pueden tener distribuciones bimodales o multimodales de poros de modo que hay números significativos de poros de un tamaño pequeño y un número significativo de poros de un tamaño o tamaños mayores.
En algunas realizaciones preferidas de CFP, el catalizador se puede seleccionar de zeolitas de origen natural, zeolitas sintéticas y combinaciones de las mismas. En ciertas realizaciones, el catalizador puede ser un catalizador de zeolita ZSM-5, como lo entenderían los expertos en la técnica. Opcionalmente, dicho catalizador puede comprender sitios ácidos. Otros tipos de catalizadores de zeolita incluyen: ferrierita, zeolita Y, zeolita beta, mordenita, MCM-22, ZSM-23, ZSM-57, SUZ-4, EU-1, ZSM-11, (S)AlPO-31, SSZ-23, entre otros. En otras realizaciones, se pueden usar catalizadores no zeolita; por ejemplo, WOx/ZrO2 , fosfatos de aluminio, etc. En algunas realizaciones, el catalizador puede comprender un metal y/o un óxido de metal. Metales adecuados y/o óxidos incluyen, por ejemplo, níquel, paladio, platino, titanio, vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, zinc, cobre, galio, y/o cualquiera de sus óxidos, entre otros. En algunos casos se pueden incluir elementos promotores elegidos de entre los elementos de tierras raras, es decir, elementos 57-71, cerio, zirconio u sus óxidos para combinaciones de estos para modificar la actividad o la estructura del catalizador. Además, en algunos casos, las propiedades de los catalizadores (por ejemplo, estructura de poro, tipo y/o número de sitios ácidos, etc.) se pueden elegir para producir selectivamente un producto deseado.
Conversión - El término “conversión de un reactivo” se refiere al cambio de mol o masa del reactivo entre un material que fluye dentro de un reactor y un material que fluye fuera del reactor dividido entre los moles o la masa del reactivo en el material que fluye dentro del reactor. Por ejemplo, si se alimentan 100 gramos de etileno a un reactor y 30 gramos de etileno están fluyendo fuera del reactor, la conversión es [(100-30)/100] = 70% de conversión de etileno.
Distribuidor. Un distribuidor es una estructura que distribuye el gas de fluidización para mantener una fluidización estable sobre el área deseada (normalmente el área de un reactor cilíndrico en la zona reactor). En algunas realizaciones, el distribuidor es una placa con orificios para igualar la presión sobre el área del cilindro en la zona reactor.
Puerto de alimentación. Un puerto de alimentación (también referido como un tubo de alimentación) es una entrada a través de la cual la biomasa entra en un reactor. El ángulo a del tubo de alimentación es el ángulo en el que el suministro entra en el reactor. El ángulo del tubo de alimentación se mide como el ángulo medio del tubo de alimentación (o conducto de alimentación) sobre la sección inmediatamente anterior al reactor, determinado dibujando una línea recta desde la posición donde la biomasa entra al conducto hasta la posición donde el conducto se abre dentro del reactor. En los sistemas en los que el tubo portador usa un asistente de gas a partir de una primera corriente de gas para mover la biomasa desde una tolva en un primer ángulo y, a continuación, la biomasa fluye dentro de un tubo de alimentación en un segundo ángulo, en donde el tubo de alimentación tiene una segunda corriente de gas para mover la biomasa dentro del reactor, el ángulo a se mide solamente sobre la distancia del tubo de alimentación y no incluye el tubo portador. La temperatura en el tubo de alimentación preferiblemente se mantiene a 200 °C o por debajo, preferiblemente 150 °C o menos, y aún más preferiblemente 100 °C o menos, y algunas veces en el intervalo de 0 a 150 °C. La velocidad lineal del fluido portador a través del puerto de alimentación (también conocido como puerto inyector) se calcula basándose en el diámetro interior del puerto de alimentación en la interfaz con el volumen del reactor.
Fluido - El término “fluido” se refiere a un gas, un líquido, una mezcla de un gas y un líquido, o un gas o un líquido que contiene sólidos dispersos, gotitas líquidas y/o burbujas gaseosas. Los términos “gas” y “vapor” tienen el mismo significado y algunas veces se usan indistintamente. En algunas realizaciones, puede ser ventajoso controlar el tiempo de residencia del fluido de fluidización en el reactor. El tiempo de residencia de fluidización del fluido de fluidización se define como el volumen del reactor dividido entre el caudal volumétrico del fluido de fluidización bajo condiciones de proceso de temperatura y presión.
Reactor de lecho fluidizado - Como se usa en la presente memoria, al término “reactor de lecho fluidizado” se le da su significado convencional en la técnica y se usa para referirse a reactores que comprenden un recipiente que puede contener un material sólido granular (por ejemplo, partículas de sílice, partículas de catalizador, etc.), en el cual un fluido (por ejemplo, un gas o un líquido) se pasa a través del material sólido granular a velocidades suficientemente altas como para suspender el material sólido y causar que se comporte como si fuera un fluido. Como es bien conocido, en un reactor de lecho fluidizado los sólidos suspendidos tales como catalizadores, o reactivos sólidos, o materiales de transferencia de calor, o alguna combinación de estos, están por encima del distribuidor. En algunos reactores de lecho fluidizado los reactivos sólidos, catalizadores sólidos, u otros sólidos se introducen inmediatamente por encima del distribuidor en una sección inferior del reactor, y hay una sección superior del reactor que se extiende por encima de la sección inferior. En el reactor la sección superior está por encima de la sección inferior con respecto a la gravedad. En el reactor la sección inferior comprende un volumen que incluye un diámetro interior del reactor de lecho fluidizado y una altura que es de al menos 2%, o al menos 5%, o al menos 10%, o al menos 15%, o al menos 25% de la altura total del reactor, y en donde la sección superior comprende un volumen que incluye un diámetro interior del reactor de lecho fluidizado y una altura que es al menos 5%, o al menos 10%, o al menos 15%, o al menos 25% de la altura total del reactor. Por tanto, la sección inferior que comprende sólidos suspendidos se refiere a una sección que está por encima del distribuidor. Al término “reactor de lecho fluidizado circulante” también se le da su significado convencional en la técnica y se usa para referirse a reactores de lecho fluidizado en los que el material sólido granular se pasa fuera del reactor, se hace circular a través de una línea en la comunicación fluida con el reactor, y se vuelve a reciclar dentro del reactor.
Los reactores de lecho fluidizado burbujeantes y los reactores de lecho fluidizado turbulento también son bien conocidos por los expertos en la técnica. En los reactores de lecho fluidizado burbujeante, la corriente fluida usada para someter a fluidización el material sólido granular se maneja a un caudal suficientemente bajo de modo que se observan burbujas y vacíos dentro del volumen del lecho fluidizado durante el funcionamiento. En reactores de lecho fluidizado turbulentos, el caudal de la corriente fluida es mayor que el empleado en un reactor de lecho fluidizado burbujeante, y por consiguiente, no se observan burbujas y vacíos dentro del volumen del lecho fluidizado durante el funcionamiento.
Ejemplos de reactores de lecho fluidizado, reactores de lecho fluidizado circulante, reactores de lecho fluidizado burbujeante y turbulento se describen en Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology (online), Vol. 11, Hoboken, N.J.; Wiley-Interscience, c2001-, páginas 791-825, y en “Fluidization Engineering”, 2° Edición, por D. Kunii y O. Levenspiel, Butterworth-Heinemann, 1991, Newton, MA.
Un chorro de gas es una corriente de gas que porta sólidos dentro de un reactor de conversión de biomasa. Un chorro de gas es un gas añadido y no se refiere a gases generados por descomposición de la biomasa en un tubo de alimentación (algunas veces referido como el conducto de alimentación); de hecho, no se desea la descomposición de gas de la biomasa en un tubo de alimentación. El uso de un chorro de gas para portar la biomasa dentro de un reactor también es conocido como “inyección asistida por gas”.
Tamaño de poro - El tamaño de poro se refiere al tamaño de una molécula o átomo que puede penetrar dentro de los poros de un material. Como se usa en la presente memoria, el término “tamaño de poro” para zeolitas y composiciones de catalizador similares se refiere a un tamaño de poro ajustado a los radios de Norman bien conocidos por los expertos en la técnica. La determinación del tamaño de poro ajustado a los radios de Norman se describe, por ejemplo, en Cook, M.; Conner, W.C., “How big are the pores of zeolites?” Proceedings of the International Zeolite Conference, 12th, Baltimore, 5-10 de Julio, 1998; (1999), 1, pp 409-414.
Como cálculo ilustrativo específico, los radios atómicos para poros de ZSM-5 son de aproximadamente 5,5 a 5,6 Angstroms (0,55 a 0,56 nm), medidos por difracción de rayos X. Con el fin de ajustar para los efectos repulsivos entre los átomos de oxígeno en el catalizador, Cook y Conner han demostrado que los radios ajustados Norman son 0,7 Angstroms (0,07 nm) mayores que los radios atómicos (aproximadamente 6,2 a 6,3 Angstroms (0,62 nm a 0,63 nm)).
Un experto en la técnica entenderá cómo determinar el tamaño de poro (por ejemplo, tamaño de poro mínimo, media de los tamaños de poro mínimos) en un catalizador. Por ejemplo, se puede usar la difracción de rayos x (XRD) para determinar las coordenadas atómicas. Las técnicas de XRD para la determinación del tamaño de poro se describen, por ejemplo, en Pecharsky, V.K. et al. “Fundamentals of powder diffraction and structural characterization of materials”, Springer Science+Business Media, Inc., Nueva York, 2005. Otras técnicas que pueden ser útiles en la determinación de los tamaños de poro (por ejemplo, tamaños de poro de zeolita) incluyen, por ejemplo, técnicas de picnometría de helio o adsorción de argón a baja presión. Estas y otras técnicas se describen en Magee, J.S. et al., “Fluid catalytic cracking: science and technology”, Elsevier Publishing Company, 1 de Julio, 1993, pp 185-195. Los tamaños de poro de los catalizadores mesoporosos se pueden determinar usando, por ejemplo, técnicas de adsorción de nitrógeno, como se describe en Gregg, S.J. et al., “Adsorption, surface area and porosity”, 2° Ed., Academic Press Inc., Nueva York, 1982 y Rouquerol, F. et al., “Adsorption by powders and porous materials. principles, methology and applications”, Academic Press Inc., Nueva York, 1998. En algunas realizaciones, se usa un método de cribado para seleccionar catalizadores con tamaños de poro apropiados para la conversión de moléculas producto de pirolisis específicas. El método de cribado puede comprender la determinación del tamaño de las moléculas producto de pirolisis específicas deseadas para reaccionar catalíticamente (por ejemplo, los diámetros cinéticos de molécula de las moléculas producto de pirolisis). Un experto en la técnica puede calcular, por ejemplo, el diámetro cinético de una molécula dada. A continuación, se puede elegir el tipo de catalizador de modo que los poros del catalizador (por ejemplo, los radios mínimos ajustados de Norman) son lo suficientemente largos para permitir que las moléculas producto de pirolisis se dispersen dentro y/o reaccionen con el catalizador. En algunas realizaciones, los catalizadores se eligen de modo que sus tamaños de poro son lo suficientemente pequeños para prevenir la entrada y/o la reacción de los productos de pirolisis cuya reacción sería indeseable.
Pirolisis - Con el fin de la presente invención, y como generalmente se conoce, la pirolisis de biomasa es una reacción que ocurre a temperaturas de al menos 400 °C y es capaz de proceder en ausencia de un catalizador añadido (aunque puede estar presente un catalizador añadido) para formar al menos un producto de pirolisis (generalmente una mezcla de productos). El catalizador añadido es un catalizador que no está presente en la biomasa (es decir, no de origen natural o inherentemente presente). Un ejemplo de pirolisis es el calentamiento de la biomasa hasta temperaturas por encima de 400 °C para formar furfural y otros productos. La reacción catalítica es una reacción en la que un material reacciona en presencia de un catalizador añadido y la presencia del catalizador afecta a la velocidad de reacción y/o la distribución de producto (generalmente ambos). Como asunto práctico, en situaciones en donde el catalizador está presente, tanto las reacciones de pirolisis como catalíticas ocurren si la temperatura es lo suficientemente alta (por ejemplo, al menos 400 °C). Experimentalmente, la ocurrencia de pirolisis podría ensayarse llevando a cabo una reacción en ausencia del catalizador añadido - si una reacción sustancial ocurre bajo las condiciones de reacción, entonces está ocurriendo la pirolisis. Una “reacción sustancial” es una donde más de una cantidad trivial de biomasa se convierte (por ejemplo, al menos el 5%) en productos. Una “zona de pirolisis” es el volumen del sistema de reactor que se calienta hasta temperaturas a las que ocurre una reacción de pirolisis sustancial a las condiciones de reacción (tal como el tiempo de residencia).
La pirolisis preferiblemente se conduce sin la adición de, o en ausencia de, O2. Preferiblemente, la fracción de volumen de O2 presente en una cámara de reacción de pirolisis es del 0,5% o menos. “Pirolisis catalítica” se refiere a pirolisis realizada en presencia de un catalizador, y puede implicar etapas descritas a más detalle a continuación. Ejemplo de procesos de pirolisis catalítica se explica, por ejemplo, en Huber, G.W. et al., “Synthesis of transportation fuels from biomass: chemistry, catalysts, and engineering”, Chem. Rev. 106, (2006), pp. 4.044-4.098.
Tiempo de residencia - El tiempo de residencia se define como el volumen del reactor o dispositivo, o la parte específica de un dispositivo, dividido entre el flujo de salida de todos los gases fuera del reactor, o dispositivo o parte del reactor o dispositivo, incluyendo gas de fluidización, productos, e impurezas, medido o calculado a la temperatura media del reactor o dispositivo y la presión de salida del reactor o dispositivo o parte del mismo.
Selectividad - El término “selectividad” se refiere a la cantidad de producción de un producto particular en comparación con una selección de productos. La selectividad a un producto se puede calcular dividiendo la cantidad del producto particular entre la cantidad de un número de productos producidos. Por ejemplo, si se producen 75 gramos de compuestos aromáticos en una reacción y se encuentran 20 gramos de benceno en estos compuestos aromáticos, la selectividad al benceno entre los productos aromáticos es de 20/75 = 26,7%. La selectividad se puede calcular sobre una base de masa, como en el ejemplo anteriormente mencionado, o se puede calcular sobre una base de carbono, en donde la selectividad se calcula dividiendo la cantidad de carbono que se encuentra en un producto particular entre la cantidad de carbono que se encuentra en una selección de productos. A menos que se especifique lo contrario, para las reacciones que implican biomasa como reactivo, la selectividad es sobre una base de biomasa. Para reacciones que implican conversión de un reactivo molecular específico (eteno, por ejemplo), la selectividad es el porcentaje (sobre una base de masa a menos que se especifique lo contrario) de un producto seleccionado dividido entre todos los productos producidos.
Rendimiento - El término rendimiento se usa en la presente memoria para referirse a la cantidad de un producto que fluye fuera de un reactor dividido entre la cantidad de reactivo que fluye dentro del reactor, normalmente expresado como porcentaje o fracción. Los rendimientos con frecuencia se calculan sobre una base de masa, base de carbono, o sobre la base de un componente del suministro particular. El rendimiento en masa es la masa de un producto particular dividida entre el peso del suministro usado para preparar ese producto. Por ejemplo, si se alimenta 500 gramos de biomasa a un reactor y se producen 45 gramos de benceno, el rendimiento en masa de benceno sería 45/500 = 9% de benceno. El rendimiento en carbono es la masa de carbono encontrada en un producto particular dividida entre la masa de carbono en el suministro al reactor. Por ejemplo, si se hace reaccionar 500 gramos de biomasa que contiene 40% de carbono para producir 45 gramos de benceno que contiene 92,3% de carbono, el rendimiento en carbono es [(45*0,923)/(500*0,40)] = 20,8%. El rendimiento en carbono de la biomasa es la masa de carbono encontrada en un producto particular dividida entre la masa de carbono alimentada al reactor en un componente del suministro particular. Por ejemplo, si se hacen reaccionar 500 gramos de biomasa que contienen 40% de carbono y 100 gramos de CO2 para producir 40 g de benceno (que contiene 92,3% de carbono), el rendimiento en carbono sobre la biomasa es de [(40*0,923)/(500*0,40)] = 18,5%; indicar que la masa de CO2 no entra en el cálculo.
Como es la terminología de patente convencional, el término “que comprende” significa “que incluye” y no excluye componentes adicionales. Cualquiera de los aspectos inventivos descritos junto con el término “que comprende” también incluyen realizaciones más limitadas en las que el término “que comprende” se reemplaza por los términos más limitados “que consiste básicamente en” o “que consiste en”. Como se usa en esta memoria, los términos “incluye” o “que incluye” no se deberían leer como limitantes de la invención, sino que enumeran componentes ilustrativos.
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 muestra un inyector de biomasa y gas con un tubo de alimentación de biomasa horizontal.
La Figura 2 muestra una realización de un inyector de biomasa y gas y reactor.
La Figura 3 muestra una realización de un inyector de biomasa y de gas y reactor.
La Figura 4 muestra un sistema de asistencia del inyector de biomasa para dosificar e inyectar pulsos de biomasa dentro de un reactor.
Descripción detallada de la invención
La Figura 1 muestra un sistema con tubo de alimentación de biomasa horizontal 12. Durante el funcionamiento, la biomasa en la tolva 14 se transporta por el alimentador tipo tornillo sin fin opcional 16 dentro del tubo inyector de gas 18, a través del cual un gas 20 asiste al transporte de la biomasa dentro del tubo de alimentación de biomasa horizontal 12 que es asistida por el flujo de gas 22. Las composiciones de gas 20, 22 pueden ser las mismas o diferentes, y en algunas realizaciones preferidas comprenden CO y/o CO2 reciclados. Se puede usar fluido refrigerante 24 (tal como agua fría) para enfriar la biomasa para prevenir la reacción dentro del tubo alimentador 12. La biomasa entra en el reactor de lecho fluidizado en un chorro de gas a través del puerto de alimentación 26 en un punto por encima del distribuidor 28. En esta ilustración, el tubo de alimentación de biomasa es horizontal cuando se conecta al reactor y el gas de inyección fluye dentro del tubo de alimentación de biomasa en un ángulo de 90°. En realizaciones preferidas, para prevenir el calentamiento de la biomasa a través de un tornillo sin fin, no hay alimentador de tornillo sin fin dentro del tubo de alimentación de biomasa 12 que está en la proximidad del puerto de alimentación 26. Horizontal se refiere a horizontal respecto a la gravedad (es decir, perpendicular a la fuerza de la gravedad).
La Figura 2 ilustra el ángulo a (alfa) que es el ángulo desde la horizontal en el que el flujo 29 a través de un tubo de alimentación viaja inmediatamente antes de pasar a través de un puerto de alimentación 26 dentro del reactor de lecho fluidizado 25. En la realización de la Figura 2, hay solamente un flujo de gas de inyector 30. Indicar que el ángulo del gas de flujo de inyector en las partes corriente arriba puede estar en un ángulo diferente que el chorro de gas en la entrada al reactor de lecho fluidizado.
La Figura 3 ilustra una realización en la que el reactor de lecho fluidizado contiene bandejas tamiz 34 dentro del lecho fluidizado 36. La corriente del producto 39 sale a través de la parte superior del reactor en donde cualquier sólido suspendido se puede retirar en un ciclón (no mostrado) y se pueden separar los componentes no sólidos dentro de la corriente producto. A menos que se especifique lo contrario, las referencias dentro de esta memoria de patente se refieren a la corriente de producto fluido después de la retirada de los sólidos y antes de la separación de los componentes no sólidos.
La Figura 4 ilustra un sistema de sello de aire de inyector de biomasa construido de válvulas de pinzamiento elastoméricas neumáticas 42, 44 para mantener una gran diferencia de presión entre la tolva de sólidos y el reactor 25. El suministro de biomasa se carga a la tolva de alimentación, 14, y se transfiere por un tornillo sin fin u otro dispositivo de transporte mecánico a través de la válvula abierta 42 dentro de la cámara de descompresión, la cual, a continuación, se sella cerrando la válvula 42 y llevándola hasta una presión por encima de la presión del reactor. Las válvulas de pinzamiento neumáticas 42 y 44 se abren o cierran admitiendo o liberando la presión de gas a través de válvulas activadas por presión o electrónicamente 43 y 45 en los manguitos neumáticos de las válvulas 42 y 44, respectivamente. La alimentación de biomasa se puede dosificar controlando el tiempo durante el cual la válvula 42 se mantiene en la posición abierta. Se conecta una reserva de gas al sistema por una línea de entrada 47 y el regulador de presión 48 con una línea de tapón sobre la entrada al reactor usada para cargar la cámara de descompresión antes de la liberación de pulsos de sólidos al abrir la válvula 44 e inyectar el suministro dentro del tubo de alimentación para la inyección dentro del reactor, 25, junto con un gas portador opcional 46. Una opción mostrada en la Figura 4 es para que el gas portador 46 suministre el gas de inyección así como el gas portador.
Es posible que un intervalo de caudales será determinado por el tamaño, la forma, la densidad y la composición de las partículas de la biomasa, el tamaño y la forma del reactor, la composición y la presión del gas usado como gas inyector, la cantidad y la composición de las partículas de catalizador en el reactor, la mezcla deseada dentro del reactor, las tasas de alimentación deseadas de la biomasa y el catalizador, la presencia de estructuras internas dentro del reactor, y otros factores.
Los conductos y puertos del inyector de gas que se usan para introducir la biomasa dentro del reactor pueden ser de diversos tamaños dependiendo del tamaño, la forma y la composición de las partículas de la biomasa, el tamaño y la forma del reactor, la composición y la presión del gas usado como gas inyector, la cantidad y la composición de las partículas de catalizador en el reactor, la mezcla deseada dentro del reactor, y otros factores. Los puertos del inyector de gas pueden estar dirigidos hacia el centro del reactor, es decir, radiales, o pueden estar en ángulos de compensación, por ejemplo, tangenciales, con el fin de establecer más patrones de mezcla deseables dentro del reactor. Los puertos del inyector de gas pueden estar dirigidos en cualquier ángulo seleccionado, tal como horizontalmente (es decir, 0° con respecto a la gravedad), o pueden estar en ángulo con respecto a la horizontal de modo que la biomasa fluye hacia arriba dentro del reactor, o en un ángulo hacia abajo dentro del reactor. De acuerdo con la invención, el ángulo del puerto de alimentación es de al menos 25 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor.
En algunas realizaciones el ángulo del puerto de alimentación es de al menos 35 grados, al menos 45 grados, al menos 50 grados, o al menos 62 grados desde la horizontal en el punto en el que entra al reactor. Los tubos de alimentación aerodinámicamente diseñados lisos son preferibles para minimizar el atasco y minimizar el flujo de fluido necesario para mover la biomasa; los tubos redondos son preferibles y es deseable un mínimo de lados o esquinas afiladas. Una tolva de biomasa está situada por encima de un puerto de entrada de manera que la gravedad asiste al movimiento de la biomasa en la dirección descendente e inhibe el atasco o la adhesión.
El sistema de alimentación por chorro de gas se puede usar para alimentar el suministro de biomasa dentro de un reactor continuamente, o, preferiblemente en estallidos o pulsos cortos. El ritmo de los pulsos cortos de la alimentación de biomasa puede oscilar desde una vez cada 0,2 segundos a un pulso cada 60 segundos o más, dependiendo del tamaño y la geometría del reactor, las características de la biomasa, y el flujo de gas deseado. La duración del flujo durante un pulso individual puede oscilar desde 0,05 segundos a 30 segundos, dependiendo del tamaño y la geometría del reactor, las características de la biomasa, la composición del gas y el flujo de gas deseado. Un pulso individual puede ser de duración mucho más corta que el tiempo entre los pulsos o puede ser casi tan largo como el tiempo entre pulsos. Se prevé que cuando se utilizan los múltiples puertos de alimentación por chorro de gas el ritmo de los pulsos podría estar sincronizado para ser simultáneos desde los múltiples puertos, o podrían estar escalonados con compensaciones en el tiempo, es decir, retraso del pulso desde un puerto cualquiera con respecto al (a los) pulso(s) desde otro puerto o puertos particulares. La optimización de la duración de pulso, el ritmo, y la sincronización se puede conducir fácilmente de manera experimental. La alimentación pulsada se espera que proporcione mejor mezcla debido a la velocidad lineal más rápida que puede conseguirse con el mismo volumen total de gas cuando se administra en pulsos.
El concepto de alimentación por chorro de gas se espera que también sea ventajoso para agrandar los reactores, en donde mantener el suministro de biomasa frío en dispositivos de alimentación tipo tornillo sin fin puede ser difícil. En un reactor mayor probablemente numerosos puertos del inyector estarían colocados alrededor de las paredes, posiblemente a diferentes alturas y con diferentes ángulos de inyección. La tasa de inyección, es decir, la velocidad lineal del gas y la biomasa, en diferentes puntos podría cubrir también un amplio rango, puesto que sería útil tener algunos chorros que inyecten la biomasa lejos dentro del interior del lecho mientras que algunos chorros inyectan biomasa a una distancia menor dentro del lecho para conseguir mezcla uniforme a través del reactor. Los inyectores pueden terminar en la pared del reactor o en algunos casos pueden extenderse dentro del reactor. Diferentes inyectores sobre el mismo reactor pueden extenderse dentro del reactor hasta diferentes profundidades dependiendo de la distribución de la biomasa deseada.
Los dispositivos de mezcla interiores y los dispositivos de intercambio de calor pueden estar colocados dentro del reactor. Por ejemplo, un número de bandejas tamiz, es decir, placas con numerosos pequeños agujeros que están puestos en posiciones horizontales, pueden estar localizados a diferentes alturas dentro del lecho fluido. Estos son un rasgo opcional que puede ser útil para mejorar la mezcla y romper las burbujas grandes, particularmente en pequeños reactores. Una capa única de bandejas puede ser útil para reactores mayores, o se pueden preferir capas múltiples. Las capas de bandejas tamiz pueden inhibir el movimiento descendente del catalizador que puede ser ventajoso para estabilizar un “flujo” de catalizador desde la parte superior del lecho a la parte inferior del lecho. De esta manera, cuando se introduce el catalizador en la parte superior del lecho, el catalizador más activo interactúa con la mezcla más diluida de los vapores producto de pirolisis, incrementando las posibilidades de reacción y el catalizador parcialmente desactivado menor en el lecho interactúa con la mezcla más concentrada de vapores de pirolisis. Las bandejas tamiz pueden establecer un flujo de “contracorriente” parcial de biomasa en la dirección ascendente y el catalizador en la dirección descendente, maximizando la eficacia de conversión catalítica. En casos en donde el catalizador se introduce en el lecho fluido a una parte inferior a través de un tubo de succión o puerto inyector, las bandejas tamiz pueden asegurar que el catalizador recién introducido interactúe con la biomasa recién introducida, estableciendo así un flujo de corriente paralela de biomasa y catalizador a través del lecho. En ese caso el catalizador desactivado puede retirarse de la parte superior del lecho. Las estructuras internas para los lechos fluidizados son bien conocidas en la técnica como se describe en “Handbook of fluidization and fluid-particle systems” W.C. Yang, ed. CRC Press, 2003, páginas 171-199.
En algunas realizaciones el catalizador se mezcla con la biomasa para la inyección dentro del reactor. El catalizador puede estar a cualquier temperatura, pero preferiblemente cualquier catalizador mezclado con la biomasa está a una temperatura por debajo de la temperatura de comienzo de la pirolisis de la biomasa de manera que cuando se mezcla con la biomasa la pirolisis resultante es mínima. Se puede introducir catalizador adicional de manera separada de la biomasa y esta parte del catalizador se podría introducir a temperatura muy diferente, preferiblemente una temperatura alta para suministrar el calor necesario para la pirolisis al reactor. Las cantidades relativas del catalizador introducido con la biomasa o por separado pueden variar por un amplio intervalo. Ya que el catalizador introducido por separado generalmente suministra calor para el sistema, generalmente se introduce una gran masa de catalizador para suministrar calor que se introduce con la biomasa y, en algunas realizaciones preferidas, no se mezcla el catalizador con la biomasa. La temperatura del reactor se puede controlar, por ejemplo, mediante la cantidad de catalizador introducido por separado, o su temperatura, o la relación del catalizador introducido por las dos corrientes de alimentación diferentes.
El gas usado para la inyección de la biomasa puede ser cualquier gas que no sea dañino al proceso. Preferiblemente el gas es un gas reciclado del proceso que comprende CO, o CO2, o tanto CO como CO2. Preferiblemente el gas también podría contener otros productos tales como olefinas, hidrógeno, o metano. La introducción del gas reciclado que contiene olefina a través del inyector de gas se espera que sea preferible para introducir olefinas a través de una placa distribuidora puesto que el gas se mantendrá relativamente más frío en el inyector, minimizando así la polimerización de olefina y la coquización que se ha observado cuando las olefinas se introducen a través del distribuidor. La corriente de chorro de gas también podría contener vapor, hidrocarburos ligeros tales como metano, etano, propano, etc., y cantidades menores de otros compuestos. Inertes tales como nitrógeno o argón también pueden estar incluidos, pero su contenido se mantiene preferiblemente bajo para prohibir su aumento hasta altas concentraciones en un sistema reciclado.
El caudal de gas del fluido del chorro de gas debe permitir la velocidad lineal del gas en el chorro de gas para ser lo bastante alto para transportar rápidamente la biomasa dentro del lecho fluido con el fin de prevenir el calentamiento prematuro, el taponamiento del tubo inyector, y promover la buena mezcla. El flujo del fluido en el inyector incluye el fluido portador que fluye continuamente a través de la entrada del inyector para minimizar el flujo de regreso y el flujo portador que se introduce con la biomasa cuando se usa un sistema de dosificación de biomasa tal como un sistema de sello de aire del inyector de biomasa u otro sistema. De acuerdo con la invención, la velocidad lineal del fluido portador en el puerto del inyector de biomasa es de al menos 25 cm/s.
En algunas realizaciones la velocidad lineal del fluido portador en el puerto inyector de biomasa es de al menos 50 cm/s, 100 cm/s, 150 cm/s, o al menos 200 cm/s, o al menos 225 cm/s, o al menos 250 cm/s, o al menos 300 cm/s o de 25 cm/s a 10.000 cm/s, o de 50 a 7.000 cm/s, o de 100 a 5.000 cm/s, o de 200 a 5.000 cm/s, o de 225 a 5.000 cm/s.
La velocidad lineal requerida del gas en el chorro de gas con el fin de prevenir el atasco del tubo de alimentación y la inyección de las partículas de biomasa en el lecho dependerá del tamaño, la forma, la densidad y otras características de las partículas de la biomasa. Partículas menores, o partículas más esféricas, o partículas más densas fluyen más fácilmente y requieren menor velocidad de flujo para prevenir el atasco. Partículas con una densidad aparente de al menos 0,10 g/cc se pueden transportar más fácilmente, preferiblemente a al menos 0,25 g/cc, lo más preferiblemente a al menos 0,5 g/cc. La densidad aparente se mide rellenando un recipiente volumétrico medido tarado con material, empaquetado ligeramente y asentado solamente por agitación suave, y pesándolo para determinar la masa del material que rellena el volumen; la densidad es simplemente la masa dividida entre el volumen. Las partículas pueden tener diámetros medios de 1 micra a 20.000 micras, preferiblemente 50 micras a 5.000 micras, lo más preferiblemente 250 micras a 2.000 micras. Las partículas que no son lisas o que tienen contenidos de humedad mayores tienden a fluir menos fácilmente y se atascan más fácilmente y pueden requerir mayores velocidades de gas para la inyección en el reactor. Se puede usar pretratamiento de la biomasa por secado, molienda, corte, etc. para modificar las características de partícula. En procedimientos generales que hacen que las partículas fluyan más fácilmente tal como la molienda a tamaño de partícula muy pequeño (<250 micras de diámetro) y secado a niveles de humedad muy bajos añaden etapas de procesamiento y costes al proceso general.
El balance entre los caudales y los volúmenes introducidos a través de los puertos de alimentación por chorro de gas y el puerto de alimentación de fluidización podría variar por un amplio intervalo. En algunas realizaciones, la relación del caudal de gas inyectado con la biomasa y el caudal de gas introducido a través del puerto de fluidización es menor que 0,1, menor que 0,25, menor que 0,5, menor que 1, menor que 2, menor que 3, menor que 5, o menor que 10, o entre 0,001 y 10, o entre 0,01 y 5, o entre 0,1 y 2. Los niveles preferidos de la relación del caudal en el puerto de inyección (también conocido como puerto de alimentación) y el caudal a través del puerto de fluidización se aplica al caso en donde hay un puerto de alimentación único y un puerto de fluidización único; y también se aplica en el caso de múltiples puertos, en el que los flujos sumados del(de los) puerto(s) de alimentación se dividen entre la suma del flujo a través del(de los) puerto(s) de fluidización. Alternativamente, los caudales mucho menores del flujo de fluidización pueden ser posibles con el uso de puertos de inyección de chorro de gas, o se pueden eliminar juntos. Es preferible algo de flujo de fluidización a través del distribuidor o de otra manera introducido dentro de la parte inferior del reactor para evitar que los sólidos más densos se reúnan sobre el fondo del reactor. En algunas realizaciones la placa distribuidora está ausente y el fluido de fluidización se introduce por un sistema de distribución o rociador localizado dentro de la parte inferior del lecho fluido. Los distribuidores de gas y los diseños de cámara para lechos fluidizados son bien conocidos en la técnica como se describe en “Handbook of fluidization and fluidparticle systems” W.C. Yang, ed., CRC Press, 2003, páginas 155-170.
El balance entre las temperaturas de flujo de gas y los volúmenes introducidos a través de los puertos de alimentación por chorro de gas y el puerto de alimentación de fluidización son también un factor importante en la mejora de la producción de productos útiles tales como aromáticos, olefinas, hidrocarburos pesados, o alguna combinación de estos. Una temperatura de alimentación normalizada puede definirse que es una media ponderada de las temperaturas de las corrientes de alimentación de gas y se pueden calcular como [(caudal de gas de alimentación inyectado*temperatura de gas de alimentación inyectado)+(caudal de gas de fluidización*temperatura de gas de fluidización)]/(caudal de gas inyectado+caudal de gas de fluidización). Esta definición asume mezcla rápida de los gases inyectados y de fluidización, generalmente en el volumen que está inmediatamente por encima del distribuidor. Se cree que las temperaturas de alimentación normalizadas por debajo del intervalo preferido darán como resultado más residuo carbonoso y menos compuestos aromáticos, mientras que las temperaturas de alimentación normalizadas por encima del intervalo preferido darán como resultado más CO y coque. Las temperaturas de alimentación normalizadas pueden oscilar de 50 a 700 °C, o 75 a 650 °C o preferiblemente de 100 a 600 °C dependiendo de la composición del suministro de biomasa, la composición del suministro de gas, el catalizador, la presión y otros parámetros del proceso.
El reactor se puede manejar o bien en modo discontinuo en donde el catalizador se carga antes de que empiece la reacción, o en modo continuo, en donde el catalizador se añade y se retira continuamente. Durante el funcionamiento continuo tanto el catalizador como la biomasa se alimentan al reactor. La relación en masa de alimentación de catalizador:biomasa puede, en algunas realizaciones preferidas, oscilar de 0,3 a 20, o de 1 a 10, o de 2 a 6, o de 2,5 a 4. En algunas realizaciones preferidas, la relación es de 10 o más; por ejemplo, en el intervalo de 10 a 40 o 10 a 20.
La velocidad espacial del proceso CFP, definido como la tasa de alimentación de biomasa dividida entre la masa de catalizador en el reactor, generalmente expresada en unidades de tiempo inverso, pueden oscilar de 0,05 h-1 a 20 h-1, o de 0,1 h-1 a 10 h-1, o de 0,2 h-1 a 5 h-1, o de 0,3 h-1 a 2 h-1. En algunas realizaciones la velocidad espacial es de al menos 0,1, al menos 0,2, al menos 0,3, al menos 0,4, al menos 0,5, al menos 0,8, o al menos 1,0 h-1. Las condiciones del proceso CFP pueden ser cualquiera de las resumidas en el documento US 8277643.
Los componentes catalizadores útiles en el contexto de esta invención se pueden seleccionar a partir de cualquier catalizador conocido en la técnica, o como lo entenderían los expertos en la técnica hecho con conciencia de esta invención. De manera funcional, los catalizadores pueden estar limitados solamente por la capacidad de cualquiera de dicho material para fomentar y/o efectuar la deshidratación, deshidrogenación, isomerización, transferencia de hidrógeno, aromatización, descarbonilación, descarboxilación, condensación de aldol y/o cualquier otra reacción o proceso asociado con o relacionado con la pirolisis de un material hidrocarbonado. Los componentes catalizadores se pueden considerar ácidos, neutros o básicos, como lo entenderían los expertos en la técnica. Alternativamente, solo o junto con dichas y otras consideraciones, los catalizadores se pueden seleccionar de acuerdo con el tamaño de poro (por ejemplo, mesoporo y tamaños de poro generalmente asociados con zeolitas), por ejemplo, tamaños de poro medios de menos de aproximadamente 100 Angstroms (10 nm), menos de aproximadamente 50 Angstroms (5 nm), menos de aproximadamente 20 Angstroms (2 nm), menos de aproximadamente 10 Angstroms (1 nm), menos de aproximadamente 5 Angstroms (0,5 nm), o menor, aunque los poros menores que el diámetro cinético de los anillos aromáticos son significativamente menos deseables. En algunas realizaciones, se pueden usar catalizadores con tamaños de poro medios de desde aproximadamente 5 Angstroms (0,5 nm) a aproximadamente 100 Angstroms (10 nm). En algunas realizaciones, se pueden usar catalizadores con tamaños de poro medios de entre aproximadamente 5,5 Angstroms (0,55 nm) y aproximadamente 6,5 Angstroms (0,65 nm), o entre aproximadamente 5,9 Angstroms (0,59 nm) y aproximadamente 6,3 Angstroms (0,63 nm). En algunos casos, se pueden usar catalizadores con tamaños de poro medios de entre aproximadamente 7 Angstroms (0,7 nm) y aproximadamente 8 Angstroms (0,8 nm), o entre aproximadamente 7,2 Angstroms (0,72 nm) y aproximadamente 7,8 Angstroms (0,78 nm). Los catalizadores pueden tener distribuciones bimodales o multimodales de poros de modo que hay números significativos de poros de un tamaño pequeño y un número significativo de poros de un tamaño o tamaños mayores. Los catalizadores preferidos incluyen ferrierita natural o sintética, zeolita Y, zeolita beta, mordenita, MCM-22, ZSM-5, ZSM-12, ZSM-23, ZSM-35, ZSM-57, SUZ-4, EU-1, ZSM-11, (S)AlPO-31, SSZ-23. Un catalizador particularmente preferido es ZSM-5, o uno que comprende ZSM-5. En algunas realizaciones, el catalizador puede comprender un metal y/o un óxido de metal. Los metales adecuados y/o óxidos incluyen, por ejemplo, níquel, platino, vanadio, paladio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, zinc, cobre, cromo, galio, cualquiera de los metales de tierras raras, es decir, elementos 57-71 de la Tabla Periódica, o cualquiera de sus óxidos o alguna combinación de estos.
Ejemplos
Ejemplo comparativo 1
Se condujo pirólisis rápida catalítica (CFP) de madera de pino en un reactor de lecho fluidizado. El reactor de lecho fluidizado era de 2 pulgadas (5,08 cm) de diámetro exterior (OD) y 24 pulgadas (60,96 cm) de altura y estaba hecho de acero inoxidable 316. Dentro del reactor, el lecho de catalizador estaba soportado por una placa distribuidora hecha de placa de acero inoxidable 316 con aberturas circulares de 1/16 pulgadas (1,59 mm). El reactor, mostrado esquemáticamente en la Figura 1, se equipó con un tornillo sin fin de 0,625 pulgadas (1,59 cm) de OD, 0,39 pulgadas (0,99 cm) de diámetro interior (iD) colocado horizontalmente, a través del cual se alimentó la biomasa por rotación del tornillo sin fin.
El reactor se cargó con 102 g de catalizador 2% Ga/ZSM5 antes del experimento y el catalizador se calcinó in situ en aire en el caudal de 3,0 SLPM durante 2 horas a 580 °C. El serrín de pino (PSD, del inglés “Pine Saw Dust”) se molió y tamizó a tamaño de partícula de 0,25 a 2 mm. Se pesó aproximadamente 300 gramos de serrín de pino y se cargó en el sistema de tolva. El reactor se purgó con un flujo de N2 a 3,0 SLPM durante 30 minutos antes de empezar el experimento.
El reactor se calentó a 580 °C y el tubo de alimentación del gas de fluidización se calentó hasta aproximadamente 500 °C. El caudal de biomasa se controló con exactitud por un tornillo sin fin dentro de la tolva que administra la biomasa al tubo de alimentación. La biomasa sólida (madera de pino) se introdujo dentro del reactor desde un tubo de alimentación lateral con flujo de N2. El caudal del gas a través del tubo de alimentación tipo tornillo sin fin de biomasa era de 0,5 SLPM dando una velocidad lineal calculada a 25 °C de 11,8 cm/segundo a la entrada al reactor. La tasa de alimentación de biomasa se ajustó a aproximadamente 1,0 g/min. El tubo de alimentación entra en el reactor aproximadamente 1 pulgada por encima de la placa distribuidora. Durante la reacción, 1,0 SLPM de N2 se pasó dentro del reactor a través de la placa distribuidora para someter a fluidización el catalizador además del flujo de N2 del tubo de alimentación.
El efluente del reactor salió del reactor por la parte superior a través de un ciclón calentado (350 °C) para retirar las partículas sólidas, incluyendo poco catalizador y residuo carbonoso. El efluente que sale del ciclón fluyó dentro de un sistema de recolección de producto que incluía dos burbujeadores y tres condensadores. Los burbujeadores se colocaron en un baño de agua con hielo y se cargaron con 150 ml de isopropanol dentro como disolvente; los tres condensadores no contenían disolvente y se colocaron dentro de un baño de hielo seco/isopropanol. Los productos en fase gaseosa no condensados que salieron del último condensador se recogieron en bolsas de gas. El tiempo de reacción generalmente era de 30 min y se tomaron dos muestras de bolsa de gas a 15 y 30 minutos de tiempo en la corriente después de iniciar la alimentación de biomasa. Después de que se tomara cada bolsa, se midió el caudal de gas total con un medidor de flujo de burbuja; se realizaron al menos 4 medidas y se usó la media para realizar los cálculos. Las muestras de las bolsas de gas se analizaron mediante inyección dentro de Shimadzu GC 2010 que se había calibrado con mezclas de gas convencionales analíticas.
Se recogieron los contenidos de cada uno de los dos burbujeadores. Los contenidos de los tres condensadores se pesaron y combinaron dentro de una muestra única. Los condensadores se aclararon con isopropanol para producir una cuarta muestra. Se midieron todos los 4 volúmenes líquidos y se determinaron los pesos. Las muestras líquidas todas se analizaron mediante inyección en un Shimadzu GC 2014.
El rendimiento en carbono de los compuestos aromáticos y olefinas se determinó que era del 2,01%.
Ejemplo comparativo 2
El experimento se repitió con un caudal del alimentador tipo tornillo sin fin de biomasa de 1,0 SLPM, el cual proporciona una velocidad lineal de 24 cm/segundo en el tubo de alimentación de biomasa horizontal en la entrada al reactor. Se cargó al reactor una muestra fresca de 100 g de catalizador. La tasa de alimentación de biomasa se ajustó a 0,78 g/min.
El rendimiento en carbono de los compuestos aromáticos y olefinas se determinó que era del 9,55%.
Se observaron mezcla escasa, calentamiento prematuro de la biomasa, y transporte inadecuado de la biomasa dentro del lecho fluido catalítico como se evidenció por la gran cantidad de residuo carbonoso formado y los bajos rendimientos de los compuestos aromáticos y olefinas. El tornillo sin fin y el tubo llegaron a estar calientes y el metal llegó a estar descolorido.
Experimentos de chorro de gas
El tornillo sin fin se retiró del sistema de alimentación tipo tornillo sin fin, dejando el tubo del tornillo sin fin vacio en su lugar para servir como el conducto para la alimentación de biomasa al reactor. Se intentó un experimento con biomasa alimentada a través del tubo del tornillo sin fin (sin tornillo) con 2 SLPM de flujo de gas a través del tubo del tornillo sin fin y 1 SLPM de gas de fluidización alimentado a través del distribuidor. El tubo del tornillo sin fin vacio entró en el reactor horizontalmente. Otras condiciones eran como en el Experimento comparativo 1. La biomasa se acumuló en el tubo de tornillo sin fin y finalmente se atascó la línea de transferencia desde la salida de la tolva de biomasa al tubo del tornillo sin fin debido a la baja velocidad del gas y la posición horizontal del tubo de alimentación. La alimentación de biomasa se paró y el reactor se apagó.
Se montó un reactor de lecho fluido de flujo frío que incluía un tubo de policarbonato limpio para permitir la observación de la fluidización dentro del reactor. El tubo horizontal mostrado en la Figura 1 no era eficaz en el transporte de la biomasa dentro del reactor en los ensayos de flujo frío. Se observó que mucha de la biomasa se posaba en el tubo de transferencia horizontal.
Se determinó experimentalmente en el dispositivo de flujo frío, que con un tubo de inyección de chorro de gas de 0,25 pulgadas (0,64 cm) de OD (ID=0,2 pulgadas (0,51 cm)) y un ángulo de entrada de aproximadamente 26 grados desde la horizontal el caudal del gas portador necesitaba ser de al menos aproximadamente 2,5 SLPM para prevenir el atasco con las partículas de biomasa de aproximadamente 2 mm de tamaño, con una tasa de alimentación de biomasa de 0,5 a 1,0 g/minuto. Los caudales del gas portador inferiores atascaron el tubo. La velocidad lineal del gas del inyector se calculó para ser de aproximadamente 224 cm/segundo a 25 °C en el tubo inyector.
Ejemplos 3 a 12
El tubo de transferencia de biomasa se reemplazó por un tubo de SS-316 de 0,25 pulgadas (0,64 cm) de OD curvado que se extendía desde la tolva de alimentación hasta el puerto de entrada de biomasa. La tolva de alimentación estaba situada por encima y a un lado del reactor. El ángulo de entrada del tubo de alimentación dentro del lecho fluido era de 26 grados desde la horizontal, como se muestra en la Figura 2. Se instalaron una serie de bandejas tamiz de acero inoxidable 316 perforado con aberturas de un octavo (0,125) de pulgada (0,32 cm) y área abierta del 42% dentro del reactor, como se muestra en la Figura 3. Había seis bandejas tamiz unidas a una barra central ensartada y había un espacio de 1 pulgada entre las bandejas tamiz.
Se condujeron una serie de experimentos con las condiciones como se resumen en la Tabla 1.
Como se muestra en la Tabla 1 (por ejemplo, comparar los ejemplos 9 y 10 con 11 y 12), sorprendentemente se encontró que la relación del caudal de inyección (el cual se mide en la interfaz entre el tubo de inyección y el reactor, en otras palabras, en la entrada de sólidos al reactor) y el caudal de fluidización (medido en la entrada del gas de fluidización al lecho fluidizado) muestra mejores resultados (compuestos aromáticos superiores, compuestos aromáticos superiores y olefinas, y benceno superior y tolueno) a una relación de aproximadamente 0,1 o más, y en algunas realizaciones esta relación se selecciona para estar en el intervalo de 0,05 a 5; en algunas realizaciones 0,1 a 5; y en algunas realizaciones 0,1 a 2.
La velocidad lineal nominal del gas de alimentación a la entrada al reactor se calculó dividiendo el flujo volumétrico del gas en el chorro de gas a condiciones patrones (25 °C, 1 atm) entre el área de la sección transversal del puerto de entrada.
Sorprendentemente también se descubrió que, a pesar de (es decir, independiente de) la temperatura en el lecho del reactor, una temperatura relativamente alta del gas de fluidización en la entrada al reactor del lecho fluidizado dio como resultado resultados significativamente superiores. Preferiblemente, la temperatura del gas de fluidización en la entrada al lecho fluidizado es de aproximadamente 500 °C o más, preferiblemente aproximadamente 550 °C o más, en algunas realizaciones al menos 575 °C. El límite superior de este parámetro de temperatura todavía no se ha determinado pero podría determinarse con experimentación rutinaria. En algunas realizaciones, el límite superior (en combinación con cualquiera de los límites anteriormente mencionados) es de 900 °C o menos, en algunas realizaciones 800 °C o menos, en algunas realizaciones 700 °C o menos, en algunas realizaciones 650 °C o menos. Generalmente, es deseable un rendimiento alto de la suma de compuestos aromáticos y olefinas; sin embargo, en casos en los que se desean rendimientos muy bajos de olefinas (es decir, una relación alta de compuestos aromáticos y olefinas), entonces puede ser deseable funcionar con una temperatura del gas de fluidización en la entrada al lecho fluidizado de aproximadamente 400 °C o menos, en algunas realizaciones en el intervalo de 0 a aproximadamente 300 °C, aunque también se encontró que la temperatura baja estaba asociada con un rendimiento relativamente alto de compuestos aromáticos policíclicos no deseables.
Otro descubrimiento sorprendente era que se pueden obtener resultados superiores controlando la temperatura de alimentación normalizada en un reactor de lecho fluidizado. Los resultados superiores se pueden obtener usando temperaturas de alimentación normalizadas entre 100 y 650 °C, preferiblemente entre 200 y 600 °C, incluso más preferiblemente entre 300 y 560 °C. Esto se puede conseguir, en realizaciones preferidas, controlando las temperaturas y/o los caudales de una mezcla de gas de fluidización y flujo de gas de inyección que porta biomasa dentro de la región por debajo del distribuidor en un reactor de lecho fluidizado. La temperatura de alimentación normalizada se define como (caudal de gas de alimentación inyectado*temperatura de gas de alimentación inyectado) (caudal de gas de fluidización*temperatura de gas de fluidización)/(caudal de gas inyectado caudal de gas de fluidización). Esta definición asume mezcla rápida de los gases inyectados y de fluidización, generalmente en el volumen que está inmediatamente por encima del distribuidor. Se cree que las temperaturas de alimentación normalizadas por debajo del intervalo preferido dará como resultado más residuo carbonoso y menos compuestos aromáticos, mientras que las temperaturas de alimentación normalizadas por encima del intervalo preferido dará como resultado más CO y coque.
Ejemplo 13
El reactor del Ejemplo 12 que utilizó una alimentación del inyector de gas en un reactor de tubería nominal de 2 pulgadas (5,08 cm) de diámetro se cargó con 158 g de Catalizador A, un catalizador ZSM-5 de lecho fluido comercialmente obtenido que contenía aproximadamente 40% en peso de ZSM-5 cristalino en un aglutinante inerte. El caudal de gas de alimentación, la tasa de alimentación de biomasa, y las temperaturas se ajustaron como se muestra en la Tabla 2. Se usaron pellets de madera dura molida que contenían 46,99% de carbono y 6,16% de hidrógeno como suministro de biomasa. Los resultados muestran que un rendimiento alto de compuestos aromáticos y olefinas se puede conseguir con una velocidad de inyección de 69 cm/s y una temperatura de alimentación normalizada de 150 °C cuando se usa un sistema de alimentación de biomasa por chorro de gas.
Ejemplo 14
El reactor del Ejemplo 13 se cargó con 161 g de Catalizador A y se repitió el experimento. Los resultados demuestran que el proceso es altamente reproducible usando un sistema inyector de chorro de gas.
Ejemplo 15
Se construyó un reactor que consistía en una tubería de acero inoxidable 316 de 4 pulgadas (10,16 cm) de diámetro con una altura de espacio libre (“freeboard”) de 30 pulgadas (76,2 cm). La parte superior del espacio libre se expande hasta 6 pulgadas (15,24 cm) para suprimir el entrampamiento de las partículas de catalizador en la corriente de gas de salida. El lecho de catalizador se soporta por un distribuidor hecho de malla de alambre de acero inoxidable 316 (50x250 malla). La parte inferior del reactor por debajo de la placa distribuidora sirve como una zona precalentador de gas. El catalizador se somete a fluidización con nitrógeno controlado por un controlador de flujo de masa. El reactor se calienta externamente con un horno eléctrico de cuatro zonas para minimizar el gradiente de temperatura a través del reactor. Todas las zonas se mantuvieron a temperatura de reacción. Las temperaturas dentro del reactor se midieron por termopares tipo K insertados a una profundidad de penetración de 1 cm.
Se instaló al reactor una tolva de biomasa y un sistema de asistencia de inyección de biomasa como se muestra en la Figura 4. El sistema de asistencia de inyección de biomasa consiste en dos válvulas de pinzamiento y una cámara intermedia que permite el aislamiento de la tolva de biomasa de la presión del reactor. Con el tornillo sin fin en el funcionamiento de la tolva de biomasa, la biomasa cae a través de la válvula de pinzamiento superior (abierta), dentro de la cámara intermedia, por encima de la válvula de pinzamiento inferior (cerrada). La válvula superior se cierra, la cámara se presuriza hasta justo por encima de la presión del reactor, la válvula de la parte inferior se abre, y la biomasa se inyecta en el reactor con asistencia del nitrógeno portador.
El reactor se cargó con 538 g de catalizador B, un catalizador de lecho fluido comercialmente obtenido que contenía aproximadamente 50% en peso de ZSM-5. La tolva se cargó con 200 g de pellets de madera dura molidos y el reactor se llevó hasta la temperatura de reacción con un flujo de N2. El sistema de alimentación de biomasa se comenzó con pulsos de biomasa espaciados aproximadamente 2,1 segundos aparte de manera que cada pulso administraba aproximadamente 0,2 g de biomasa.
Los resultados del Ejemplo 15 muestran que los altos rendimientos de los compuestos aromáticos y olefinas se pueden obtener con un sistema inyector de biomasa pulsado.
Ejemplo 16
Se construyó una unidad piloto que incluía un reactor con diámetro interior de 11,38 pulgadas (28,91 cm) y altura de 18 pulgadas (45,72 cm).
El distribuidor consiste en una placa distribuidora de malla de alambre. Se instalaron al reactor una tolva de alimentación con un tornillo sin fin de dosificación para la administración de biomasa y un sistema de asistencia de inyección de biomasa para pulsar la biomasa dentro del reactor. El tubo de alimentación en donde la biomasa entraba al reactor formaba un ángulo de 60 grados con la horizontal.
El reactor se cargó con 4.103 g de Catalizador A y el sistema se calentó hasta la temperatura de reacción. La tolva de biomasa se cargó con aproximadamente 3 kg de pellets de madera dura molidos (49,9% C, 5,9% H) y se comenzó el experimento. La biomasa se alimentó durante 30 minutos a una tasa de 43,2 g/min, y a continuación el reactor se lavó con agua unos 10 minutos adicionales con nitrógeno para recoger los materiales que permanecen en el reactor. La salida del reactor se pasó a través de un crisol de separación mantenido a aproximadamente 0 °C, y dos burbujeadores de isopropanol mantenidos a 0 °C, y un condensador mantenido a -78 °C.
Los contenidos de los recipientes de recolección se combinaron para el análisis de producto líquido. Una muestra de los gases que salieron del condensador se inyectaron dentro de un gas GC para análisis. Se retiró una muestra del catalizador usado y residuo carbonoso, se secó a 120 °C, se separó en partículas finas (catalizador) y grandes (residuo carbonoso), y se analizaron para el contenido en carbono calcinando en aire a 600 °C.
Los resultados del Ejemplo 16 resumidos en la Tabla 2 demuestran que la alimentación pulsada de la biomasa proporciona un rendimiento alto de compuestos aromáticos y olefinas en reactores grandes con diámetros mayores. Los resultados demuestran que el proceso de CFP puede llevarse a cabo con una relación muy baja de flujo de gas de alimentación de biomasa y flujo de gas de fluidización (0,05).
Ejemplo 17
Los procedimientos del Ejemplo 16 se repitieron con una carga fresca de 4.197 g de Catalizador A. Los resultados resumidos en la Tabla 2 demuestran que el proceso es reproducible con la relación muy baja de flujo de gas de alimentación de biomasa y flujo de gas de fluidización.
Ejemplo 18
Los procedimientos del Ejemplo 16 se repitieron con una carga fresca de 5.200 g de Catalizador A pero con caudal de biomasa inferior y relación mayor de flujo de gas de alimentación de biomasa y flujo de gas de fluidización. Bajo estas condiciones los rendimientos de los compuestos aromáticos y las olefinas eran menores que en el Ejemplo 16 y 17, pero se mantenían muy por encima de los que se habían obtenido con un sistema de alimentación tipo tornillo sin fin que estaba directamente conectado al reactor como en los Ejemplos 1 y 2.
Sorprendentemente, descubrimos que la reacción inyectada por gas con una tasa de alimentación de biomasa relativamente inferior dio como resultado rendimiento aromático inferior (comparar los Ejemplos 17 y 18). Mostrando así que el uso de inyección de gas da como resultado mejor rendimiento y un uso más eficaz del catalizador.
Ejemplo 19
El procedimiento del Ejemplo 18 se repitió con 5.162 g de catalizador B en lugar de Catalizador A. Los resultados del Ejemplo 19 muestran que se pueden usar catalizadores diferentes en el proceso de CFP con inyección de chorro de gas para conseguir rendimientos altos de compuestos aromáticos y olefinas. Los resultados del Ejemplo 19 demuestran que la elección de catalizador y las condiciones de funcionamiento para conseguir altos rendimientos no son los mismos para todos los catalizadores, es decir las condiciones deben igualarse al catalizador.
Ejemplo 20
En este ejemplo el aparato del Ejemplo 16 se instaló adicionalmente con una tolva de catalizador para la adición continua del catalizador al proceso durante el funcionamiento. El sistema de alimentación de catalizador consiste en un recipiente presurizado 316SS de 1/8 pulgadas (0,32 cm) de grosor que proporciona catalizador por gravedad por una válvula esférica rotatoria colocada por encima del reactor de capacidad de trabajo de 28,3 litros instalado con calentador estilo cable eléctrico interno para el precalentamiento del catalizador durante el funcionamiento continuo y una línea de presurización de nitrógeno para mantener el espacio de cabeza inerte y proporcionar presión asistente a la alimentación de catalizador continua. La tolva de catalizador se podría recargar durante el experimento si es necesario.
La tolva de catalizador se cargó con aproximadamente 40 kg de catalizador B y el reactor se cargó con 4.800 g de catalizador B. La tolva de biomasa se cargó con 3 kg de virutas de madera dura molida. El reactor se calentó hasta temperatura de reacción bajo nitrógeno y las alimentaciones se iniciaron como se muestra en la Tabla 2. La tasa de alimentación de catalizador era de 95 g/minuto, la tasa de alimentación de biomasa era de 30,9 g/minuto, y la relación era de 3,1. El experimento se continuó durante 4 horas; los resultados de la primera hora de funcionamiento se recogen en la Tabla 2.
Los resultados del Ejemplo 20 muestran que un alto rendimiento de compuestos aromáticos y olefinas puede obtenerse en un reactor grande bajo condiciones de alimentación de catalizador y biomasa continua usando inyección de chorro pulsado para alimentar la biomasa.
Ejemplo 21
El experimento del Ejemplo 20 se repitió con una carga fresca del Catalizador B. La tasa de alimentación del catalizador B se incrementó en relación con el Ejemplo 20 para dar una relación de alimentación de catalizador/biomasa de 3,9.
Los resultados resumidos en la Tabla 2 muestran que ajustando la relación de alimentación de catalizador/biomasa se puede mejorar el rendimiento de los compuestos aromáticos usando un inyector de chorro de gas pulsado para alimentar la biomasa. Los resultados muestran que el inyector de chorro de gas pulsado se puede usar con éxito para ampliar el proceso de CFP con rendimientos de aromáticos tan altos como los observados en reactores mucho menores (2 pulgadas (5,08 cm) de OD) (Ejemplos 13-14).
Comparando los resultados de los Ejemplos 14, 15 y 19-22 con los Ejemplos 16, 17 y 18 se muestra que el rendimiento de los compuestos aromáticos es generalmente mayor a las velocidades de inyección superiores usadas en los Ejemplos 14, 15 y 19-22 que con las velocidades de inyección menores usadas en los Ejemplos 16­ 18.
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Conclusiones
La geometría del puerto inyector, la velocidad lineal del gas inyector, y/o las condiciones del chorro de gas pueden ser factores importantes para conseguir la introducción de biomasa, el buen mezclado en el reactor, y altos rendimientos de compuestos aromáticos y olefinas.
En cualquiera de las reivindicaciones u otras descripciones, se debería reconocer que la invención incluye aparato, métodos y sistemas. Un sistema incluye tanto aparatos como condiciones dentro del aparato, por ejemplo, flujos de fluido y temperaturas. En cualquiera de las reivindicaciones, el término “aparato” puede estar reemplazado por el término “sistema”.

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Un método para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa que comprende:
alimentar un primer reactivo que comprende la biomasa a un reactor mediante la inyección en un chorro de gas; someter a pirolisis dentro del reactor al menos una parte de la biomasa en presencia de un catalizador añadido bajo condiciones de reacción suficientes para producir uno o más productos de pirolisis; y
hacer reaccionar catalíticamente al menos una parte del uno o más productos de pirolisis bajo condiciones de reacción suficientes para producir el uno o más productos de hidrocarburo fluidos; y
en donde el chorro de gas comprende un fluido portador y la biomasa, en donde el chorro de gas entra en el reactor a través de un puerto de alimentación y en donde el fluido portador fluye a través del puerto de alimentación con una velocidad lineal de al menos 25 cm/s; y
en donde la biomasa se alimenta dentro del reactor a través de un puerto de alimentación en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 25 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor; y
en donde el catalizador se alimenta al reactor de manera separada de la biomasa.
2. El método de la reivindicación 1 en donde el catalizador añadido comprende material elegido de entre el grupo que incluye ferrierita, zeolita Y, zeolita beta, mordenita, MCM-22, ZSM-5, ZSM-23, ZSM-57, SUZ-4, EU-1, ZSM-11, (S)AlPO-31 y SSZ-23.
3. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2 en donde el reactor es un reactor de lecho fluidizado y en donde la biomasa se alimenta a través de un puerto de alimentación dentro del reactor de fluidización con una relación de caudal de gas a través del puerto de alimentación y flujo a través de un puerto de fluidización en el intervalo de 0,05 a 5, o 0,1 a 5, o 0,1 a 2.
4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en donde la velocidad espacial de la biomasa en comparación con el catalizador contenido en el reactor es de al menos 0,1, al menos 0,2, al menos 0,3, al menos 0,4, al menos 0,5, al menos 0,8, o al menos 1,0, o desde 0,1 a 2,0.
5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en donde el tiempo de residencia del gas de fluidización en contacto con el lecho catalizador es de al menos 0,1, al menos 0,2, al menos 0,3, al menos 0,5, al menos 0,7, al menos 1,0, al menos 2,0, al menos 3,0 segundos, o al menos 5,0 segundos, o al menos 10,0 segundos.
6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 en donde el catalizador se alimenta de una manera continua o semicontinua al reactor y el catalizador se retira de una manera continua o semicontinua del reactor.
7. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 en donde la biomasa se alimenta dentro del reactor a través de un puerto de alimentación en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 35 grados, al menos 45 grados, al menos 50 grados, o al menos 62 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor, en donde el ángulo máximo del puerto de alimentación es de 90°.
8. El método de cualquiera de las reivindicaciones en donde la biomasa se alimenta en pulsos discontinuos en la alimentación de gas.
9. El método de la reivindicación 8 en donde la frecuencia de los pulsos de biomasa alimentada desde un puerto de alimentación cualquiera está en el intervalo de desde uno cada 0,2 segundos a un pulso cada 60 segundos.
10. El método de la reivindicación 1 en donde la biomasa se introduce por la inyección en una corriente de gas fluida dentro de un reactor que comprende un lecho fluidizado, y en donde, antes de la introducción al lecho fluidizado, la biomasa se mantiene a una temperatura menor que 150 °C, o menor que 100 °C, o se mantiene con un intervalo de temperaturas de 20 °C a 300 °C, 20 °C a 200 °C, 20 °C a 150 °C, o 20 °C a 100 °C.
11. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 en donde el gas portador en el chorro de gas está a una temperatura de menos de 200 °C para formar una mezcla gaseosa que comprende partículas sólidas suspendidas en una sección inferior del reactor que tiene una temperatura normalizada en el intervalo de 100 a 600 °C;
pirolisis dentro de una sección superior del reactor al menos una parte de la mezcla gaseosa que comprende partículas sólidas suspendidas en una reacción catalizada a una temperatura de al menos 500 °C para producir uno o más productos de pirolisis; en donde la sección superior está por encima de la sección inferior con respecto a la gravedad; en donde la sección inferior comprende un volumen que incluye un diámetro interior del reactor de lecho fluidizado y una altura que es al menos 2% de la altura de reactor total, y
en donde la sección superior comprende un volumen que incluye un diámetro interior del reactor de lecho fluidizado y una altura que es al menos 5% de la altura total del reactor; en donde las secciones superiores e inferiores están ambas por encima del distribuidor.
12. Un aparato para la producción de uno o más productos de hidrocarburo fluidos a partir de biomasa, dicho aparato comprende en combinación:
una cámara de reacción de pirolisis que comprende un catalizador sólido añadido,
al menos un tubo de alimentación por el cual se introduce la biomasa mediante inyección asistida por gas dentro de la cámara de reacción de pirolisis,
en donde el ángulo a del puerto de alimentación de biomasa es de al menos 25 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor;
una estructura de administración separada por la cual se puede introducir catalizador sólido en el mismo; una línea de entrada de gas de fluidización que conecta con una parte inferior de dicha cámara de reacción para introducir un gas de fluidización;
un conducto de salida de catalizador; y
un conducto de salida de producto cuyos productos en fase de vapor pueden salir del reactor.
13. El aparato de la reivindicación 12 en donde el puerto de alimentación tiene un ángulo que es de al menos 35 grados, al menos 45 grados, al menos 50 grados, o al menos 62 grados desde la horizontal en el punto en el que entra en el reactor, en donde el ángulo máximo del puerto de alimentación es de 90°.
14. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 13 en donde el aparato además comprende un tubo de flujo portador que está adaptado a llevar gas portador dentro del tubo de alimentación, en donde el ángulo que forma el tubo de flujo portador con la horizontal es mayor que el ángulo en el que el tubo de alimentación de biomasa entra en el reactor, siendo ambos valores positivos.
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