ES2839510T3 - Fragmentación termolítica de azúcares - Google Patents

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Christian Mårup Osmundsen
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Abstract

Un procedimiento para la fragmentación termolítica de un azúcar en oxigenados C1-C3, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: a. proporcionar partículas portadoras de calor y adecuadas para fluidización; b. proporciona un reactor de fragmentación de lecho fluidizado que comprende un elevador y adecuado para efectuar una fragmentación termolítica y adecuado para fluidizar una corriente de partículas; c. proporcionar una solución de materia prima que comprende un azúcar; d. introducir las partículas en el reactor a una velocidad suficiente para mantener una temperatura de al menos 250°C, tal como al menos 300, 350, 400 o 450°C, después de que haya tenido lugar la fragmentación termolítica, y suficiente para obtener una corriente fluidizada de partículas; e. introducir la materia prima en la corriente fluidizada de partículas para obtener la fragmentación termolítica del azúcar para producir un producto de fragmentación denso en partículas; y a continuación f. separar una fracción de las partículas del producto de fragmentación denso en partículas para producir un producto de fragmentación escaso en partículas; g. templar el producto de fragmentación escaso en partículas al menos 50°C de modo que desde la introducción de la materia prima en la corriente de fluidización que contiene partículas hasta que se realiza el temple el tiempo de permanencia medio del gas sea un máximo de 5, tal como un máximo de 3, segundos, tal como un máximo de 2, 1, 0,8 o 0,6 segundos; h. recuperar el producto de fragmentación en bruto, i. transferir las partículas separadas en la etapa f) a un recalentador para el calentamiento; y j. recircular las partículas calentadas al reactor de fragmentación.

Description

DESCRIPCIÓN
Fragmentación termolítica de azúcares
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un procedimiento para convertir una materia prima de azúcar en un producto de oxigenado C1-C3 y a un sistema adecuado para realizar el procedimiento. El procedimiento y el sistema son adecuados para aplicación industrial, y el procedimiento se puede realizar como un procedimiento continuo a gran escala.
Antecedentes
La biomasa es de particular interés como un material de partida debido a su potencial para complementar y posiblemente reemplazar al petróleo como una materia prima para la preparación de productos químicos comerciales. En los últimos años, se han investigado diversas tecnologías para explotar la biomasa. Los carbohidratos representan una gran fracción de la biomasa, y se están estableciendo diversas estrategias para su uso eficaz como una materia prima para la preparación de productos químicos comerciales. Estas estrategias incluyen diversos procedimientos basados en la fermentación, pirólisis y diferentes procedimientos, tales como hidrogenolisis o hidroformilación o deshidratación catalizada por ácidos.
Ejemplos de productos químicos producidos a partir de biomasa incluyen: gas natural sintético, biocombustibles, tales como etanol y biodiésel, materiales de pardeamiento de alimentos y productos químicos comerciales, tales como dioles (etilenglicol y propilenglicol), ácidos (ácido láctico, ácido acrílico y ácido levulínico) y una amplia gama de otros importantes productos intermedios químicos (epiclorhidrina, isopreno, furfural y gas de síntesis).
Dentro del campo de la pirólisis, los esfuerzos se han centrado en el uso de materias primas basadas en biomasa sólida y otros materiales celulósicos para producir los productos químicos anteriores.
Se han realizado algunos esfuerzos para usar azúcares como materia prima para producir materiales de pardeamiento de alimentos, que comprenden una gran cantidad de glicolaldehído (también denominado hidroxiacetaldehído) como el agente de pardeamiento clave.
El documento US 5.397.582 y el correspondiente documento WO 92/17076 (Underwood) describen un método para la preparación de 'humo líquido’ para pardear productos alimenticios mediante la inyección de azúcar y/o almidón en dos tipos alternativos de reactores de contacto gas-sólido. Un tipo de reactor es un tipo 'descendente', en el que el azúcar se pone en contacto con el material calorífero (p. ej. arena) para producir productos de pirólisis, y otro es un reactor de lecho fluidizado de tipo de flujo ascendente. En el último reactor, la materia prima se inyecta en partículas caloríferas en forma de arena. Durante la fragmentación termolítica, se forma un vapor como producto. La corriente de vapor obtenido como producto y partículas caloríferas gastadas se transfiere a dos ciclones externos consecutivos y la corriente de vapor resultante se condensa. Las partículas caloríferas que incluyen residuos de escorias de hulla se reciclan del ciclón de la primera fase al fondo del reactor de fragmentación. El tiempo de permanencia de los vapores obtenidos como producto es de 0,03 a 2 segundos, la temperatura de fragmentación es 400-1000°C, y el temple de los vapores pirólisis hasta menos de 300°C tiene lugar en menos de 0,6 s. No está claro cómo se proporciona el calor para recalentar las partículas caloríferas gastadas. Pirolizar almidón en polvo en este aparato a 550°C proporciona un líquido de pirólisis en el que la mitad de los productos orgánicos recuperados era glicolaldehído.
El documento US 7.094.932 (Majerski) describe un método para producir un ingrediente de pardeamiento de alimentos mediante la fragmentación termolítica de una solución acuosa de azúcar, y en particular glucosa, en un producto de pirólisis con una alta concentración de glicolaldehído. El método usa un lecho fluidizado denso de partículas de arena (también denominado lecho burbujeante). La solución de glucosa que comprende 25-99% de agua se introduce en el lecho del reactor y se hace reaccionar a una temperatura de 500 - 600°C. Se sugiere que el tiempo de permanencia en el reactor sea 0,1-5 segundos. El calor se proporciona mediante calentamiento eléctrico. El producto de reacción gaseoso se condensa en un condensador superficial. Los rendimientos de glicolaldehído en el producto de fragmentación líquido condensado son en masa al menos 50% en peso del azúcar alimentado al reactor. El producto de fragmentación líquido comprende compuestos de oxigenado C1-C3 incluyendo formaldehído, glicolaldehído, glioxal, piruvaldehído y acetol. El principal producto de esta reacción es glicolaldehído, y se ha alcanzado una recuperación de carbono en el condensado de hasta 85-89% del azúcar alimentado. En el ejemplo 6 del documento US 7.094.932, el método se aumentó a escala al alimentar 7,3 kg/h de una alimentación que contiene 50% de monohidrato de dextrosa (glucosa) a un aparato mayor del mismo tipo que anteriormente, proporcionando un rendimiento de glicolaldehído de 66%. El tiempo de permanencia en este sistema era 2-3 segundos y la temperatura estaba en el intervalo de 530-560°C. El calor todavía era proporcionado mediante electricidad.
El documento WO 2014/131764 describe un método para producir ceteno a partir de una solución de azúcar al someter la solución de azúcar a pirólisis en presencia de un material de lecho fluidizado con una superficie específica de hasta 600 m2/g y a una temperatura de menos de 700°C. El material del lecho fluidizado es sílice y el tiempo de permanencia es 50 - 150 ms
Tanto Underwood como Majerski han propuesto sistemas para producir un producto rico en glicolaldehído al pirolizar azúcares en un reactor usando partículas de arena como materiales caloríferos y teniendo un tiempo de permanencia corto a fin de proporcionar altas velocidades de conversión del azúcar en glicolaldehído. Sin embargo, los sistemas sugeridos no son adecuados para la conversión a escala industrial de azúcares en mezclas de oxigenados C1-C3 ricas en glicolaldehído mediante fragmentación termolítica.
Los reactores de lecho fluidizado se usan para procesar una variedad de materias primas. Se pueden hacer funcionar en un número de diferentes regímenes de fluidización. El régimen preferido se selecciona dependiendo de la materia prima en cuestión y la química deseada que se vaya a obtener, lo que da lugar a un gran número de diferentes configuraciones del reactor para reactores de lecho fluidizado.
Para la conversión de biomasa en bioaceite mediante pirólisis, se han investigado varias configuraciones del reactor, tales como, p. ej., reactores de fase densa (es decir, lecho fluidizado burbujeante) y fase diluida (es decir elevador) así como tipos de reactores radicalmente diferentes, tales como reactores de pirólisis ablativos.
El documento WO 2012/115754 describe un método de pirólisis en el que biomasa sólida, tal como madera u otro material derivado de plantas, y un material calorífero sólido, tal como arena, se mezclan en el fondo de un reactor elevador y se someten a condiciones de pirólisis, para proporcionar un efluente de pirólisis. El efluente de pirólisis se conduce a un separador ciclónico donde se separa en (1) una fracción enriquecida en sólidos que comprende tanto escorias de hulla sólidas como una porción reciclada del material calorífero sólido y (2) una fracción agotada en sólidos que comprende productos de pirólisis. Los productos de pirólisis incluyen aceite de pirólisis en crudo y otros productos químicos valiosos, tales como ácidos carboxílicos, compuestos fenólicos y cetonas. La fracción enriquecida en sólido se dirige a un reactor recalentador que comprende un lecho fluidizado de partículas caloríferas en donde el subproducto de escorias de hulla sólido se somete a combustión en presencia de un gas que contiene oxígeno y un medio de temple se añade a fin de reducir la temperatura en el reactor recalentador. El material calorífero sólido recalentado se recicla al reactor elevador de pirólisis, donde las partículas caloríferas transfieren a su vez calor a la mezcla de reacción de pirólisis para conducir la reacción de pirólisis. Los productos de pirólisis vaporosos se enfrían y se recuperan.
Otras aplicaciones de los lechos fluidizados son para el craqueo de hidrocarburos bien catalíticamente o bien térmicamente. El craqueo catalítico se puede realizar mediante el procedimiento de craqueo catalítico de fluidos (FCC), en el que fracciones de petróleo de alto punto de ebullición se convierten en productos comparativamente más ligeros, tales como gasolina. Ejemplos de craqueo térmico son el procedimiento de coquificación de fluidos, en el que fracciones de aceite pesadas, es decir brea, se convierten en gasóleo, o procedimientos de craqueo térmico, en los que la nafta se convierte en etileno y propileno. Estos procedimientos de craqueo se realizan principalmente en sistemas de lecho fluidizado circulante.
Uno de estos aparatos adecuado para craquear materias primas de FCC ligeras y pesadas se describe en el documento US 5.302.280 (Lomas). El sistema descrito incluye un reactor elevador para craquear la materia prima usando un catalizador. Después del craqueo, las partículas de catalizador se separan de los vapores y se transportan a un reactor regenerador, y los vapores se templan. Las partículas de catalizador se ponen en contacto con una corriente que contiene oxígeno en un lecho fluidizado denso dando como resultado la combustión de coque residual para proporcionar calor al catalizador y para retirar el coque de las partículas de catalizador.
Según esto, se están desarrollando nuevos usos de productos de oxigenado C1-C3 y se espera una demanda creciente de esos productos. Estos productos de oxigenado se pueden usar, p. ej., para producir etilenglicol y propilenglicol al someter al producto de oxigenado a hidrogenación (véase, p. ej., el documento WO 2016/001169) o para eliminar sulfuro de hidrógeno según se describe en el documento WO 2017/064267. Sin embargo, se pueden prever muchos otros usos. Hasta donde saben los presentes inventores, no existen sistemas ni procedimientos que de hecho sean adecuados para la conversión termolítica a gran escala de azúcares en mezclas ricas en glicolaldehído con altos rendimientos.
Así, todavía existe una necesidad de un procedimiento de alto rendimiento y mejorado para la preparación de oxigenados C1-C3 a partir de azúcares adecuado para la producción a gran escala, así como de sistemas para el uso en estos procedimientos.
Sumario de la invención
Los presentes inventores, que desean producir oxigenados C1-C3 a partir de fuentes sostenibles de alta pureza y con rendimiento y eficacia altos, han encontrado que los procedimientos y sistemas disponibles para realizar la fragmentación termolítica (pirólisis) de fuentes sostenibles tienen diversas desventajas que los hacen inadecuados para este uso a escala industrial.
Los inventores han encontrado ahora un procedimiento para producir oxigenados C1-C3 de alta pureza a escala industrial. El procedimiento implica llevar a cabo una fragmentación termolítica de una solución de azúcar en un reactor de fragmentación, en el que un lecho fluidizado de partículas caloríferas recibe la solución de azúcar y se transforma en un reactor de tipo elevador, una fracción principal de las partículas se retira de la corriente de producto seguido por un temple de la corriente de producto, y las partículas retiradas se transfieren a un reactor recalentador para calentar y recircular las partículas calentadas al reactor de fragmentación. Este procedimiento da como resultado un procedimiento que es muy eficaz energéticamente y sin embargo proporcionar un rendimiento muy alto de oxigenados C1-C3. Los inventores también encontraron que, cuando la materia prima es azúcar, recalentar las partículas caloríferas requería el suministro de calor procedente de una fuente externa y que era ventajoso realizar el recalentamiento en un reactor separado.
Según un aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para la fragmentación termolítica de un azúcar en oxigenados C1-C3 , comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
a) proporcionar partículas portadoras de calor y adecuadas para la fluidización;
b) proporcionar un reactor de fragmentación de lecho fluidizado que comprende un elevador y adecuado para efectuar la fragmentación termolítica y adecuado para fluidizar una corriente de partículas; c) proporcionar una solución de materia que comprende un azúcar;
d) introducir las partículas en el reactor de fragmentación a una velocidad suficiente para mantener una temperatura de al menos 250°C, tal como al menos 300, 350, 400 o 450°C, después de que haya tenido lugar la fragmentación termolítica;
e) introducir la materia prima en la corriente fluidizada de partículas para obtener la fragmentación termolítica del azúcar para producir un producto de fragmentación denso en partículas; a continuación f) separar una fracción de las partículas del producto de fragmentación denso en partículas para producir un producto de fragmentación escaso en partículas;
g) templar el producto de fragmentación escaso en partículas al menos 50°C de modo que desde la introducción de la materia prima en la corriente de fluidización que contiene partículas hasta que se realiza el temple el tiempo de permanencia medio del gas sea un máximo de 5, tal como un máximo de 3, segundos, tal como un máximo de 2, 1,0,8 o 0,6 segundos; y
h) recuperar el producto de fragmentación en bruto,
i) transferir las partículas separadas en la etapa f) a un recalentador para el calentamiento; y
j) recircular las partículas calentadas al reactor de fragmentación.
Este procedimiento tiene las ventajas de proporcionar un procedimiento eficaz energéticamente para producir un producto de fragmentación en bruto que tiene un alto rendimiento de oxigenados C1-C3 y un bajo contenido de productos secundarios no deseados. Esto se obtiene a través de una combinación de las características de la invención, que incluye usar una solución de azúcar como materia prima, alta velocidad de transferencia térmica, un tiempo de permanencia corto del vapor del producto de fragmentación, una primera retirada de partículas antes de templar el vapor del producto de fragmentación, un temple del vapor del producto de fragmentación rápidamente después de la primera separación, y un recalentamiento de las partículas en un recalentador externo. El procedimiento asegura una alta eficacia energética y es adecuado para el uso en una producción a gran escala de oxigenados C1-C3 , p. ej. para procesar adicionalmente hasta etilenglicol y propilenglicol. El procedimiento es adecuado para la producción continua de oxigenados C1-C3.
Las partículas caloríferas se calientan en un calentador fuera del reactor de fragmentación y posteriormente se introducen en el reactor de fragmentación, por ejemplo mediante contacto directo con un gas caliente en otro reactor. Las partículas se calientan hasta una temperatura suficiente para llevar calor desde el calentador de partículas hasta el reactor de fragmentación para facilitar una transferencia de calor hasta la solución de azúcar suficiente para que tenga lugar la fragmentación termolítica del azúcar y para obtener una corriente de producto de fragmentación que comprenda una fracción grande de oxigenados C1-C3. El flujo de partículas dentro del lecho fluidizado se puede ajustar al flujo de materia prima a fin de proporcionar la cantidad deseada de calor a la materia prima. Las partículas de materiales con una capacidad térmica alta requieren una caudal másico inferior que las partículas de materiales con una capacidad térmica inferior. En una realización según la presente invención, las partículas de la etapa a) se introducen en el reactor de fragmentación a un caudal másico de al menos 10 kg/s, preferiblemente a un caudal másico de 10 - 1000 kg/s.
En el presente contexto, se entiende que el producto de fragmentación se refiere a la corriente vaporosa que resulta de la fragmentación termolítica de azúcar. Se entiende que el producto de fragmentación denso en partículas se refiere al producto de fragmentación antes de la primera separación de partículas y que comprende una carga superior de partículas y se entiende que el producto de fragmentación escaso en partículas se refiere al producto de fragmentación después de la primera separación de partículas y que comprende menos partículas. Se entiende que el producto de fragmentación en bruto se refiere a la corriente recuperada del reactor de fragmentación cuando se ha retirado una fracción de las partículas.
Las partículas se seleccionan preferiblemente del grupo que consiste en arena, sílice, vidrio, alúmina, acero y carburo de silicio.
Preferiblemente, el tamaño de partícula medio de las partículas es de 20-400 pm, tal como de 20-300, 20-200 o 20­ 100 pm.
Un reactor de lecho fluidizado es un reactor que se ajusta a un lecho de partículas que van a ser fluidizadas por una corriente gaseosa de fluidización que habitualmente se introduce en el fondo del reactor. La velocidad y las propiedades físicas de la corriente gaseosa de fluidización combinadas con las propiedades físicas de las partículas regulan el estado de fluidización de las partículas dentro del lecho. Se considera habitualmente que un lecho denso/un lecho turbulento/un lecho burbujeante tiene una velocidad superficial de la corriente gaseosa de fluidización dentro del reactor de 0,1-2 m/s. Se considera habitualmente que un lecho (o un reactor elevador/de transporte) rápido tiene una velocidad superficial de la corriente de fluidización dentro del reactor de 3-22 m/s. Sin embargo, el intervalo de velocidad exacto depende de las propiedades físicas de las partículas y el gas de fluidización y puede ser determinado experimentalmente o calculado por un experto en la técnica.
En la presente invención, la fragmentación termolítica se realiza en un reactor de lecho fluidizado que funciona en el régimen de fluidización rápido, es decir un reactor de tipo elevador. En general, el elevador es un reactor que se extiende verticalmente, que en la parte inferior comprende una entrada para la corriente de fluidización, una entrada para partículas y una entrada para materia prima, y en donde la entrada para partículas se proporciona aguas abajo de la entrada de fluidización, y la entrada para materia prima se proporciona aguas abajo de la entrada para partículas. Para los propósitos de la presente invención, las partículas pueden formar un lecho fluidizado de fase densa en la zona entre la entrada para partículas y la entrada para materia prima. Se podría prescindir de la corriente de fluidización y así de la entrada para la corriente de fluidización. Por ejemplo, la materia prima se podría introducir justo después de las partículas caloríferas y así servir como corriente de fluidización.
La temperatura de las partículas en la entrada para partículas del reactor de fragmentación es preferiblemente al menos 300°C, tal como al menos 400, 450, 500, 550, 600 o 650°C.
Preferiblemente, la temperatura de las partículas en la entrada para partículas está dentro del intervalo de 300-800°C, tal como en el intervalo de 400-800 o 450-650°C.
La materia prima se puede introducir en cualquier punto después de introducir las partículas caloríferas. Cuando la materia prima se encuentra con las partículas caloríferas, se forma una zona de vaporización en la que el disolvente se evapora y empiezan a generarse productos gaseosos a partir de la fermentación del azúcar. Esto da como resultado un incremento en la velocidad superficial del gas, arrastrando de ese modo las partículas caloríferas. Según esto, aguas abajo de la entrada para materia prima, las partículas caloríferas y la materia prima forman un lecho rápido por encima de la zona de vaporización, que se puede denominar un elevador. Según una realización de la presente invención, la entrada para materia prima se proporciona en la parte inferior del elevador.
En una realización según la presente invención, el reactor de fragmentación comprende un primer separador de partículas aguas abajo del elevador para separar una fracción de las partículas del producto de fragmentación denso en partículas. El primer separador de partículas se puede denominar una terminación del elevador en los casos en los que está situado inmediatamente después del elevador. Cuando se incluye un primer separador de partículas antes de enfriar o templar la corriente del producto de fragmentación, la ventaja es que se puede evitar un enfriamiento de la fracción de las partículas caloríferas durante el enfriamiento de la corriente del producto de fragmentación con el resultado de que se evita una pérdida de calor innecesaria en el procedimiento.
En una realización de la presente invención, una fracción principal de las partículas caloríferas se separa en el primer separador de partículas. Según esto, más de 50% en peso, tal como al menos 60, 70, 80, 90, 95 o incluso 99% en peso, de las partículas caloríferas se separan del producto de fragmentación denso en partículas mediante el primer separador de partículas. El primer separador de partículas es preferiblemente un separador de cambio de dirección. Este tipo de separador separa rápidamente el producto de fragmentación de las partículas, permitiendo que el temple se realice más rápidamente y minimizando así la exposición de los productos de fragmentación a calor y reduciendo de ese modo el grado de degradación y la reacción adicional de la mezcla del oxigenado dentro del producto de fragmentación. El calentamiento rápido de la materia prima y el enfriamiento rápido del producto de fragmentación así alcanzados son muy ventajosos, ya que el período promedio que los oxigenados dentro del producto de fragmentación están expuestos a calor y así a degradación térmica es muy corto, y no obstante la mayor parte del azúcar introducido en el reactor está expuesta a suficiente calor para que avance la fragmentación termolítica.
Según esto, el tiempo de permanencia medio del gas procedente de la entrada para materia prima para el temple está dentro del intervalo de 0,01 a 5 segundos, tal como de 0,01 a 3, de 0,1 a 1 o de 0,3 a 0,8 segundos. El tiempo de permanencia medio dentro del elevador requerido para que la mayor parte del azúcar introducido en el reactor se exponga a suficiente calor para que la fragmentación termolítica avance depende de la velocidad de la transferencia térmica desde las partículas. Esta velocidad de transferencia térmica depende de factores tales como la temperatura de las partículas en la entrada, la capacidad térmica de las partículas, el disolvente de la solución de azúcar, etc. La velocidad de las partículas y el diseño del reactor pueden estar ajustados para suministrar calor suficiente y sin embargo no excesivo para la fragmentación termolítica. La velocidad de calentamiento de la materia prima que se puede alcanzar con este aparato es muy alta y está por encima de 1000°C por segundo. Una ventaja de separar las partículas caloríferas del producto de fragmentación denso en partículas antes del temple es que se puede recuperar el calor remanente de las partículas caloríferas.
En una realización según la presente invención, el gas obtenido como producto del reactor de fragmentación se purga de las partículas antes de que sean transferidas al recalentador. Esto podría mejorar adicionalmente el rendimiento del producto.
En una realización según la presente invención, el reactor comprende un templador aguas abajo del primer separador de partículas. Una ventaja de llevar a cabo un temple después de la separación de una fracción de las partículas caloríferas es que se pierde menos energía. Esto mejora la eficacia energética del procedimiento. Además, el temple de la corriente de producto de fragmentación avanza más rápidamente y requiere la transferencia de menos energía cuando están presentes menos partículas caloríferas. Preferiblemente, el temple se realiza al introducir un líquido, tal como agua o corrientes recicladas procedentes de procedimientos aguas abajo del reactor de fragmentación, en el producto de fragmentación escaso en partículas. El líquido puede ser un producto intermedio o un producto final recuperado aguas abajo de la fragmentación termolítica. Esto mejora adicionalmente la eficacia energética. Alternativamente, el temple se puede realizar mediante un termointercambio indirecto o al admitir partículas más frías en el producto de fragmentación escaso en partículas. Preferiblemente, las partículas son el mismo tipo de partículas que las partículas usadas como partículas caloríferas, solamente más frías. Una ventaja de esto es que las partículas pueden entrar y formar parte de la corriente de recirculación de partículas. El líquido se puede inyectar o pulverizar en el producto de fragmentación escaso en partículas, tal como a través de toberas dentro del reactor de fragmentación.
En una realización según la presente invención, el producto de fragmentación escaso en partículas se templa hasta una temperatura por debajo de 450°C, tal como por debajo de 400, 350 o 300°C.
La fragmentación termolítica de azúcar es una reacción endotérmica, principalmente debido a la evaporación de materia prima. Por lo tanto, las partículas caloríferas perderán algo de calor durante el procedimiento si no se proporciona calor adicional. Según una realización de la presente invención, la diferencia de temperatura de las partículas entre la entrada para partículas y la salida para partículas del reactor de fragmentación está dentro del intervalo de 10-600°C, tal como de 50-250°C. Según otra realización de la presente invención, la temperatura de las partículas caloríferas en la salida para partículas del reactor de fragmentación está en el intervalo de 250 - 700, tal como de 300-600 o 350-550°C.
Las partículas caloríferas separadas en el primer separador de partículas del producto de fragmentación denso en partículas se transfieren a un recalentador en el que las partículas caloríferas se calientan y posteriormente se recirculan al reactor de fragmentación. Este calentamiento externo de las partículas caloríferas tiene la ventaja de que la fuente de calor no afecta a la reacción de fragmentación termolítica. Así, permite un procedimiento de calentamiento que implica combustión en presencia de exceso de oxígeno para proporcionar calor para conducir la reacción endotérmica sin que el oxígeno afecte a una sobreoxidación del azúcar.
En una realización según la presente invención, el recalentador comprende una cámara calentadora para calentar las partículas caloríferas y una fuente para el calentamiento. Según una realización de la presente invención, el recalentador es un reactor de lecho fluidizado que comprende un elevador.
Preferiblemente, las partículas caloríferas tienen una temperatura de salida del recalentador en el intervalo de 300 -800°C, tal como de 400-800, 400-700 o 500-700°C.
El reactor de fragmentación puede comprender un segundo separador de partículas aguas abajo del templador. Este es para retirar cualesquiera partículas caloríferas remanentes a fin de obtener un producto de fragmentación más puro. Retirar tantas partículas como sea posible reduce el desgaste y la alteración de procedimientos aguas abajo. En el presente contexto, "retirar" está destinado a significar "reducir la cantidad de". Además, las partículas caloríferas separadas se pueden transferir al recalentador.
Alternativamente, las partículas caloríferas retiradas en el segundo separador de partículas, que se han expuesto a enfriamiento, se pueden enfriar adicionalmente y usar como partículas de temple en el reactor de fragmentación.
Una ventaja de usar las partículas caloríferas para proporcionar calor a la fragmentación termolítica es que no existe necesidad de que el reactor de fragmentación comprenda medios para calentamiento ni internamente ni sobre la superficie del reactor. Sin embargo, esto no significa que el reactor de fragmentación no pueda comprender estos dispositivos de calentamiento. El uso de partículas para proporcionar el calor para la fragmentación termolítica de azúcar es ventajoso por varias razones. A modo de ejemplo, las partículas tienen una superficie específica grande para ajustarse a una transferencia de calor a grandes cantidades de azúcar. Aunque el procedimiento se aumente a escala, estas ventajas todavía se aplican. De hecho, es improbable que una transferencia de calor suficiente limite la productividad del procedimiento según la invención.
La solución de materia prima de la etapa c) comprende un azúcar. En una realización de la presente invención, la solución de materia prima es una solución acuosa de un azúcar. En el presente contexto "un azúcar" está destinado a referirse a un carbohidrato que comprende una o más unidades de sacárido C6 y/o C5, principalmente en la forma de mono- y/o disacárido(s). En una realización según la presente invención, el azúcar se selecciona del grupo que consiste en sacarosa, lactosa, xilosa, arabinosa, ribosa, manosa, tagatosa, galactosa, glucosa y fructosa; o sus mezclas. El azúcar también puede estar en la forma de un jarabe de azúcar. La fragmentación termolítica de glucosa proporciona un alto rendimiento de glicolaldehído. Según esto, se prefieren azúcares que comprendan unidades de glucosa cuando se desee producir glicolaldehído con altos rendimientos.
Según una realización adicional de la presente invención, la solución de materia prima se introduce en la cámara de reacción de lecho fluidizado en la forma de una solución acuosa que comprende hasta 90% en peso del azúcar. Según otra realización más, la solución de materia prima se introduce en la cámara de reacción de lecho fluidizado en la forma de una solución acuosa que comprende de 10% a 90% en peso del azúcar, tal como de 30% a 80%, o de 40% a 70% en peso del azúcar.
Los oxigenados C1-C3 producidos en el procedimiento según la invención consisten principalmente en formaldehído (C1), glicolaldehído (C2), glioxal (C2), piruvaldehído (C3) y acetol (C3). Sin embargo, para la mayoría de los usos, los oxigenados C2 y C3 son los productos más valiosos. El producto de fragmentación en bruto recuperado del procedimiento según la presente invención comprende una mezcla de los oxigenados C1-C3. Esto se puede denominar intercambiablemente una mezcla de oxigenados C1-C3 , un producto de oxigenado C1-C3 y oxigenados C1-C3. En una realización de la presente invención, el producto de fragmentación es rico en glicolaldehído, lo que significa que al menos 50%, tal como al menos 60% o 70% en peso de la mezcla de oxigenados C1-C3 es glicolaldehído. En otra realización de la presente invención, al menos 50%, tal como al menos 60%, 70% u 80%, en peso de la mezcla de oxigenados C1-C3 es glicolaldehído o glioxal. En otra realización más de la presente invención, al menos 3%, tal como al menos 5% o 7%, en peso de la mezcla de oxigenados C1-C3 es piruvaldehído. En otra realización más de la presente invención, al menos 3%, tal como al menos 5% o 7%, en peso de la mezcla de oxigenados C1-C3 es piruvaldehído o acetol.
El procedimiento según la presente invención es adecuado para la producción a gran escala de oxigenados C1-C3 . Según esto, es adecuado procesar cantidades de azúcar de más de 1.000 toneladas por año por reactor, tal como más de 5.000, 10.000, 50.000,100.000 o 1000.000 toneladas por año por reactor de fragmentación, basado en el peso de azúcar seco.
El procedimiento y el aparato según la presente invención tienen la ventaja de asegurar un rendimiento de carbono combinado de oxigenados C1-C3 por encima de 60% en moles, tal como por encima de 70, 75 o 80% en moles. Puesto que los oxigenados C2 y C3 son en general más valiosos que los oxigenados C1, es deseable obtener altos rendimientos de oxigenados C2-C3. Según una realización de la presente invención, el rendimiento de carbono combinado de oxigenados C2-C3 está por encima de 60% en moles, tal como por encima de 70, 75 o 80% en moles. Según otra realización de la presente invención, el rendimiento de carbono combinado de oxigenados C2 está por encima de 50% en moles, tal como por encima de 60, 70, 75 o 80% en moles. Según otra realización más de la presente invención, el rendimiento de carbono del glicolaldehído está por encima de 50% en moles, tal como por encima de 60, 70, 75 o 80% en moles.
Según un aspecto de la presente invención, el recalentador es un reactor de tipo elevador (también denominado un "elevador"). Una ventaja de usar este tipo de recalentador es que grandes cantidades de partículas se pueden recalentar rápidamente y que es posible separar la reacción de combustión del calentamiento de las partículas caloríferas. Las partículas caloríferas se introducen a través de una entrada para partículas y se calientan dentro del elevador del recalentador. Las partículas calentadas salen del elevador del recalentador a través de una salida para partículas del recalentador. Preferiblemente, las partículas tienen una temperatura de salida del recalentador en el intervalo de 400-800°C, tal como 500-700°C. Las partículas caloríferas calentadas se hacen circular desde la salida para partículas del recalentador hasta la entrada para partículas del reactor de fragmentación. Las partículas caloríferas se transfieren desde la salida para partículas del reactor de fragmentación hasta la entrada para partículas del recalentador a través de un conducto. En una realización de la presente invención, la salida para partículas del reactor de fragmentación está más alta que la entrada para partículas del recalentador para permitir que la gravedad ayude a transportar las partículas. De forma similar, las partículas calentadas se transfieren desde la salida para partículas del recalentador hasta la entrada para partículas del reactor de fragmentación a través de un conducto. En una realización de la presente invención, la salida para partículas del recalentador está más alta que la entrada para partículas del reactor de fragmentación para permitir que la gravedad ayude a transportar las partículas. Una ventaja de usar reactores elevadores tanto en el reactor de fragmentación como en el recalentador es que se puede usar un sistema de lecho fluidizado circulante, en el que las partículas son ascendidas dentro de los elevadores y la gravedad ayuda entonces a hacer circular las partículas entre los dos sistemas elevadores. Esta es una gran ventaja cuando se producen mezclas de oxigenados C1-C3 a partir de azúcares a escala industrial. A fin de obtener altos rendimientos de carbono, es deseable que el procedimiento produzca tan pocas escorias de hulla o coque como sea posible. Sin embargo, tener bajos niveles de escorias de hulla y coque da como resultado una generación de calor limitada a partir de la combustión de estos productos secundarios. En el procedimiento según la presente invención, se obtiene una baja producción de escorias de hulla y coque. Esto requiere un suministro de calor desde una fuente externa. Según una realización de la presente invención, el recalentador comprende un combustible y una entrada para aire de combustión, un quemador, una entrada para partículas del recalentador, un elevador del recalentador, un separador de partículas del recalentador, una salida para gases del recalentador y una salida para partículas del recalentador. El aire de combustión puede ser, p. ej., aire atmosférico u otro gas que contiene oxígeno.
El calor se puede suministrar por medio de un quemador dispuesto dentro del recalentador y sometiendo a combustión un combustible en presencia de aire de combustión. El gas de combustión del quemador se puede conducir al fondo del elevador del recalentador para mezclar con las partículas caloríferas para formar una corriente de fluidización dentro del elevador del recalentador.
Según una realización de la presente invención, la combustión de aire y combustible se efectúa en una cámara para quemador separada. A continuación, el gas de combustión caliente se puede poner en contacto con partículas dentro del elevador del recalentador, con lo que las partículas recogen calor del gas de combustión. Tener una cámara para quemador separada alejada de la entrada para partículas del recalentador tiene la ventaja de que se pueden alcanzar una eficacia térmica superior y bajas emisiones de hidrocarburos no quemados.
Los quemadores con graduación para combustible y aire son técnicas conocidas por los expertos en la técnica para la reducción de emisiones de NOx. Estos quemadores también son adecuados para poner en práctica la presente invención. Otros métodos para reducir las emisiones de NOx son, p. ej., recircular una parte del gas de escape de una salida de gases del recalentador a la región del quemador a fin de disminuir el contenido de oxígeno en la zona de la llama, o la graduación de combustible y partículas en el elevador del recalentador a fin de crear zonas en las que las temperaturas y el contenido de oxígeno sean inferiores y de ahí que reduzcan la formación de NOx.
Combustibles adecuados son, p. ej., gas natural, aceite, hulla, gas de pirólisis, gas de gasificación, gases que contienen hidrógeno y monóxido de carbono, productos residuales y biomasa. Los combustibles gaseosos tienen la ventaja de no tener contenido de cenizas y de ahí que no haya riesgo de problemas relacionados con las cenizas, tales como aglomeración del lecho, a menudo observados en lechos fluidizados que usan, a modo de ejemplo, combustible de biomasa sólido. En una realización de la presente invención, el gas natural es un combustible preferido. Está fácilmente disponible y la combustión es ecológica en comparación con otros combustibles. La temperatura de combustión es bastante alta. Por lo tanto, puede ser preferible efectuar la combustión en una cámara de combustión separada del elevador del recalentador y adaptar la alimentación del gas de combustión al elevador del recalentador para alcanzar la temperatura de salida deseada de las partículas calentadas.
En una realización según la presente invención, el exceso de oxígeno procedente del recalentador se purga de las partículas antes de que se transfieran al reactor de fragmentación. Esto podría mejorar adicionalmente el rendimiento del producto y la pureza del producto al minimizar reacciones secundarias de los oxigenados con O2 en el reactor de fragmentación. La cámara de purga está dispuesta preferiblemente aguas abajo del separador de partículas del recalentador y aguas arriba de la entrada para partículas del reactor de fragmentación.
Según una realización de la presente invención, el procedimiento de fragmentación termolítica se hace funcionar como un procedimiento continuo. Esto es una ventaja para la aplicación industrial.
Según otra realización más de la presente invención, el procedimiento de fragmentación termolítica se lleva a cabo en una atmósfera inerte, p. ej. una atmósfera de nitrógeno o vapor de agua.
Según un aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para la preparación de un compuesto hidroxilado C1-C3 a partir de un azúcar, comprendiendo el procedimiento las etapas de
llevar a cabo un procedimiento de fragmentación termolítica según la invención para formar un producto de fragmentación en bruto que comprende oxigenados C1 - C3;
y a continuación someter el producto de fragmentación en bruto a una hidrogenación para obtener los compuestos hidroxilados C1 - C3 correspondientes. Los compuestos hidroxilados C1 - C3 son, p. ej., etilenglicol, propilenglicol y metanol.
El procedimiento según la presente invención se puede llevar a cabo en un reactor de fragmentación que facilita el uso de partículas caloríferas en un lecho fluidizado y que facilita una separación de partículas eficaz después de la fragmentación termolítica y un recalentamiento eficaz de las partículas caloríferas.
Según esto, se proporciona un sistema según la presente invención para la fragmentación de una composición de azúcar en oxigenados C1-C3 , sistema que comprende un reactor de fragmentación, comprendiendo dicho reactor dentro del reactor,
• un elevador
• un primer separador de partículas
• una entrada para la corriente de fluidización
• una entrada para partículas
• una entrada para materia prima
• una salida para partículas
• una salida para producto,
en donde el elevador está dispuesto dentro y en la parte inferior del reactor de fragmentación;
la entrada para la corriente de fluidización y la entrada para partículas están dispuestas en la parte inferior del elevador;
la entrada para materia prima está dispuesta en la parte inferior del elevador por encima de la entrada para partículas;
el elevador está adaptado para fluidizar partículas en el elevador;
el primer separador de partículas está dispuesto en la parte superior del elevador y está adaptado para separar al menos una fracción de las partículas de una corriente de fluidización, y
en donde el reactor comprende además una sección de enfriamiento dispuesta aguas abajo del primer separador de partículas en relación con la corriente gaseosa, estando adaptada dicha sección de enfriamiento para enfriar la corriente de fluidización que sale del primer separador de partículas y el sistema comprende además un recalentador para recalentar partículas que salen del reactor de fragmentación, el recalentador comprende una entrada para combustible y aire de combustión, un quemador, una entrada para partículas del recalentador, un elevador del recalentador, un separador de partículas del recalentador, una salida para gases del recalentador y una salida para partículas del recalentador.
Este aparato tiene la ventaja de facilitar un procedimiento según la invención que proporciona un procedimiento eficaz energéticamente para producir un producto de fragmentación en bruto que tiene un alto rendimiento de oxigenados C1-C3 y una alta velocidad de recuperación de carbono en el producto de fragmentación, proporcionando así dicho aparato un procedimiento adecuado para una producción a gran escala de, p. ej., etilenglicol y propilenglicol a partir de azúcares. El aparato es adecuado para una producción continua de oxigenados C1-C3. Según una realización de la presente invención, el sistema puede comprender además un segundo separador de partículas dentro del reactor, estando dispuesto dicho segundo separador de partículas en la parte superior del reactor de fragmentación y adaptado para separar una fracción adicional de las partículas de la corriente de fluidización.
Según una realización de la presente invención, la sección de enfriamiento está adaptada para el temple mediante la inyección de un líquido en el reactor de fragmentación.
Según una realización de la presente invención, la sección de enfriamiento está adaptada para el temple al admitir una corriente de partículas más fría en el reactor de fragmentación.
Según una realización de la presente invención, la sección de enfriamiento comprende un termointercambiador indirecto.
Según una realización de la presente invención, el primer separador de partículas es un separador de bajo volumen. Según una realización de la presente invención, el primer separador de partículas comprende al menos un separador de cambio de dirección.
Según una realización de la presente invención, el primer separador de partículas comprende al menos un tubo dispuesto con un primer extremo en la parte superior de y en conexión hidráulica con el elevador, y donde el segundo extremo del tubo está apuntando hacia abajo y está en conexión hidráulica con y dentro del reactor de fragmentación y fuera del elevador.
Según una realización de la presente invención, el segundo separador de partículas es al menos un ciclón.
Según una realización de la presente invención, el quemador y la entrada para combustible y aire de combustión están dispuestos aguas arriba del elevador del recalentador; la entrada para partículas del recalentador está dispuesta en la parte inferior de dicho elevador del recalentador aguas abajo del quemador; la entrada para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la salida para partículas del reactor de fragmentación; y el elevador del recalentador está adaptado para recalentar las partículas que salen del reactor de fragmentación por medio de gas calentado en el quemador.
Según una realización de la presente invención, el separador de partículas del recalentador está dispuesto aguas abajo del elevador del recalentador, y la salida para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la entrada para partículas del reactor de fragmentación.
Según una realización de la presente invención, el quemador está dispuesto en una cámara para quemador. Puede estar separada del elevador mediante una constricción. Por ejemplo, la superficie transversal de la constricción es al menos 25% más pequeña que la superficie transversal del elevador por encima y la longitud de la sección constreñida es al menos 0,5 metros.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Se explican realizaciones de la presente invención, por medio de ejemplos y con referencia a los dibujos adjuntos. Se ha de apuntar que los dibujos adjuntos ilustran solamente ejemplos de realizaciones de está invención, y por lo tanto no se debe considerar que limiten su alcance, ya que la invención puede admitir otras realizaciones alternativas.
La Fig. 1 muestra una vista lateral transversal de un reactor de fragmentación según una realización de la invención, la Fig. 2 muestra una vista superior del reactor de fragmentación de la realización mostrada en la Fig. 1, la Fig. 3 muestra una vista lateral transversal de un recalentador según una realización de la invención, la Fig. 4 muestra una vista lateral transversal de un sistema que comprende un reactor de fragmentación en comunicación hidráulica con un recalentador según una realización de la invención.
Números de las posiciones
1. Reactor de fragmentación
2. Elevador de fragmentación
3. Primer separador de partículas
4. Segundo separador de partículas
5. Sección de enfriamiento
6. Entrada de fluidización
7. Entrada para partículas
8. Entrada para materia prima
9. Salida para producto
10. Salida para partículas
11. Recalentador
12. Entrada para combustible y aire de combustión
13. Cámara para quemador
14. Entrada para partículas del recalentador
15. Elevador del recalentador
16. Separador de partículas del recalentador
17. Salida para partículas del recalentador
18. Salida para gases del recalentador
19. Segundo separador de partículas del recalentador
20. Purgador
21. Entrada para gas de fluidización del recalentador
22. Entrada para gas de fluidización y purga del recalentador secundario
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Según se ilustra en la Fig. 1 y la Fig 4, el reactor de fragmentación de la invención es oblongo en la dirección vertical. Dentro del reactor de fragmentación se proporciona un elevador 02, que es oblongo con una superficie transversal pequeña con relación a la altura. Esto facilita la posibilidad de un bajo tiempo de permanencia de las partículas dentro del elevador. En la sección inferior del elevador, se proporciona una entrada 06 para gas de fluidización que está adaptada para proporcionar un medio de fluidización al elevador y una entrada 07 para partículas. El medio de fluidización ayuda a facilitar el movimiento de las partículas desde la entrada para partículas hasta la entrada para materia prima hacia la parte superior del elevador. Además, la corriente de fluidización se puede usar para preacondicionar las partículas antes de que las partículas se pongan en contacto con la materia prima. Por encima de la entrada para partículas y fluidización, una entrada 08 para materia prima permite el suministro de materia prima al elevador. En la realización mostrada, la entrada para materia prima está dispuesta en la sección inferior del elevador, pero la posición puede variar según las demandas del procedimiento.
Cuando la materia prima y las partículas han interactuado en el elevador, se separan cuando salen del elevador en el primer separador 03 de partículas. Según una realización de la invención, el primer separador de partículas está adaptado para proporcionar una separación rápida de partículas del producto de fragmentación ya que esta separación rápida es muy ventajosa para el procedimiento. De ahí que el separador de partículas pueda ser de un tipo de tiempo de permanencia bajo. En la realización de la Fig 2 y la Fig 3, el primer separador de partículas comprende tuberías de salida que cambian la dirección ascendente del flujo de salida desde el elevador aproximadamente en 180° en una dirección de flujo descendente dentro del reactor de fragmentación y fuera del elevador, lo que en el presente contexto se denomina un separador de partículas de cambio de dirección. En la realización de la Fig 4., el primer separador de partículas comprende una separación de gas-partículas que fuerza una salida tangencial, relativamente a la pared del elemento 1, del gas y el sólido del elevador al interior del recipiente de 1 y de ese modo se realiza la separación. Una parte de las partículas se sedimenta en la parte de fondo del reactor de fragmentación después de salir del primer separador de partículas. Según esto, las características descritas del elevador, la posición de la entrada para materia prima y el primer separador de partículas de bajo tiempo de permanencia proporcionan la posibilidad de un tiempo de contacto muy bajo entre las partículas y la materia prima dependiendo además, por supuesto, de parámetros del procedimiento tales como los flujos volumétricos y las dimensiones específicas, todos los cuales necesitan ser adaptados a las demandas del procedimiento.
Una sección 05 de enfriamiento está dispuesta dentro del reactor de fragmentación por encima y adyacente al primer separador de partículas. En la presente realización, la sección de enfriamiento comprende un templador, en el que se inyecta un medio de enfriamiento tal como agua o una corriente reciclada, que enfría rápidamente y eficazmente el producto mediante la evaporación del medio de enfriamiento. También se pueden emplear en la sección de enfriamiento otras realizaciones tales como el temple al introducir una corriente de partículas o termointercambiadores indirectos, con lo que se puede disminuir el consumo de energía total del sistema de reactor de fragmentación. El enfriamiento rápido del producto puede ser esencial para el procedimiento, para mantener un alto rendimiento, ya que el producto puede ser sensible a la exposición prolongada a temperaturas elevadas.
Después de enfriar el producto, se extrae del reactor de fragmentación a través de la salida 09 para producto. En la realización mostrada en la Fig. 1 y la Fig 4, se proporciona un segundo separador 04 de partículas adicional opcional en el reactor de fragmentación para separar una fracción adicional de las partículas de la corriente de producto antes de que se extraiga. En esta sección del reactor de fragmentación, el producto ya está enfriado, y así el tiempo de permanencia es menos crucial. Se proporciona un segundo separador de partículas, tal como a modo de ejemplo un ciclón, presentando dicho segundo separador de partículas una eficacia de separación superior que el separador de cambio de dirección solo (elemento 03). La salida para gases del ciclón está conectada a la salida para producto, mientras que las partículas procedentes de la salida para partículas del ciclón son llevadas hasta el fondo del reactor (01) de fragmentación, donde se mantienen fluidizadas mediante el uso de una entrada (21) para gas de fluidización. La distribución del gas de fluidización a través de la sección transversal se asegura usando, por ejemplo, rociadores. En el fondo del reactor de fragmentación, una salida 10 para partículas permite que las partículas gastadas del reactor de fragmentación se extraigan y se lleven, p. ej., a recalentamiento en otro reactor.
La Fig. 2 es una vista superior del reactor de fragmentación de la realización de la Fig 1 según se describe en la realización anterior. Según se ilustra, el elevador está situado en el centro de la sección transversal del reactor de fragmentación. Por otra parte, se muestra la pluralidad de tuberías de salida que forman el primer separador de partículas, así como el segundo separador de partículas que está situado descentrado con respecto al reactor de fragmentación.
En la Fig 1 y la Fig 2, el separador de partículas secundario está situado dentro del reactor de fragmentación. El separador de partículas secundario puede comprender uno o varios ciclones. En otras realizaciones, no mostradas, estos ciclones también pueden estar situados fuera del reactor de fragmentación, p. ej. por encima con tubos de inmersión que se extienden a través del techo del reactor de fragmentación o en la cara del reactor de fragmentación con tubos de inmersión inclinados o usando, p. ej., una junta de tipo bucle o válvula en L. Al situar los ciclones secundarias fuera del recipiente del reactor, se puede disminuir el tiempo de permanencia del producto de oxigenado en el reactor de fragmentación. La realización de la Fig 4. comprende ciclones externos sobre el reactor de fragmentación
En la Fig. 3 y la Fig. 4, se muestra un recalentador 11 para recalentar las partículas que salen del reactor de fragmentación. La entrada 14 para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la salida 10 para partículas del reactor de fragmentación y la salida 17 para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la entrada 7 para partículas del reactor de fragmentación. El recalentador también comprende un lecho fluidizado de tipo elevador, un elevador 15 del recalentador, con una cámara 13 para quemador dispuesta en conexión hidráulica con la parte inferior del elevador. Una entrada 12 para combustible y aire de combustión permite que el combustible y el aire de combustión se suministren al quemador, que, cuando está en funcionamiento proporciona calor al elevador del recalentador. La entrada para partículas del recalentador está dispuesta en la parte inferior del elevador del recalentador y permite que las partículas que salen del reactor de fragmentación entren en el elevador del recalentador donde son fluidizadas en un flujo ascendente por el gas caliente proporcionado por el quemador mientras son calentadas. La conexión entre el quemador y la entrada para partículas del recalentador está diseñada deliberadamente para reducir/impedir la caída de partículas desde el elevador y hacia la cámara de combustión. Este diseño podría adoptar muchas realizaciones diferentes. En la Fig 3 y la Fig 4, esto se ilustra mediante la constricción entre 13 y 15 que conduce a un incremento en la velocidad del gas que impide/reduce una caída de las partículas. Después del recalentamiento, las partículas se separan del gas de combustión y se conducen de nuevo al reactor de fragmentación. En la realización de la Fig 3, el separador 16 de partículas del recalentador es un ciclón que permite que el gas salga del recalentador a través de la salida 18 para gases del recalentador mientras que las partículas separadas salen del recalentador a través de la salida para partículas del recalentador conectada a la salida para partículas del ciclón del recalentador. Se ha de entender que el grado de separación en los separadores de partículas depende de diversos parámetros del procedimiento, tales como la pérdida de presión en el separador, las velocidades de flujo, el tamaño de partícula, etc., según se muestra en la técnica.
En la realización de la Fig 4, el primer separador de partículas es similar al elemento 03 del reactor de fragmentación. La realización 4 también está equipada con un separador (19) de partículas de tipo ciclón secundario. Ambos separadores de partículas aportan partículas al fondo del elemento 11. En la posición más baja del elemento 11 se coloca una sección (20) para purgar el exceso de O2 procedente de las partículas fluidizadas. Las entradas (22) para gas de fluidización y purga secundarias para el elemento 11 y 20 de la realización de la Fig 4 se distribuyen sobre la sección transversal usando, p. ej., rociadores u otros métodos. Pueden estar presentes entradas para gas de fluidización adicionales en el elemento 11 en la Fig 4., pero no se muestran. También se prevé una purga del gas obtenido como producto justo antes o después de la posición (10) en la figura 4.
EJEMPLO
Ejemplo 1: Producción de una mezcla de oxigenados C1-C3 rica en glicolaldehído mediante la fragmentación termolítica de una solución de azúcar
La fragmentación de una solución acuosa de glucosa se demostró en una unidad reactora de tipo elevador. La entrada para partículas estaba situada aguas arriba de la entrada para alimentación. La velocidad superficial del gas en el elevador era aproximadamente 6 m/s. La longitud del reactor elevador era 6,2 m con un diámetro interno de 41 mm. Dos ciclones seguían al elevador y los sólidos separados se admitían a un reactor externo para el recalentamiento. El tiempo de permanencia del producto de fragmentación era aproximadamente 1 segundo desde la entrada de la alimentación al primer separador de partículas.
Para recoger el producto gaseoso, parte de la corriente gaseosa que sale del segundo ciclón se dirigía a un sistema de condensación. El producto líquido se condensó rápidamente mediante enfriamiento indirecto a 1°C y se separó de los gases permanentes. El flujo de gases permanentes se midió usando un caudalímetro de superficie variable. La concentración de oxigenados en el producto líquido se determinó mediante análisis por HPLC, y los rendimientos se calcularon suponiendo que 8% de la masa de la alimentación se perdía con los gases permanentes debido a una condensación incompleta del agua, es decir usando un balance de masas de 92%. Esto se considera una suposición conservadora, pero razonable, basada en la experiencia previa.
Con esta suposición conservadora, aproximadamente 60% del carbono alimentado al reactor se recuperaba como glicolaldehído mediante la fragmentación termolítica de una solución al 45% en peso de glucosa a aproximadamente 500°C. Se usaron cuentas de vidrio de silicato sódico como el material del lecho.
REALIZACIONES
Realización 1. Un procedimiento para la fragmentación termolítica de un azúcar en oxigenados C1-C3 , comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
a. proporcionar partículas portadoras de calor y adecuadas para fluidización;
b. proporciona un reactor de fragmentación de lecho fluidizado que comprende un elevador y adecuado para efectuar una fragmentación termolítica y adecuado para fluidizar una corriente de partículas;
c. proporcionar una solución de materia prima que comprende un azúcar;
d. introducir las partículas en reactor el a una velocidad suficiente para mantener una temperatura de al menos 250°C, tal como al menos 300, 350, 400 o 450°C, después de que haya tenido lugar la fragmentación termolítica, y suficiente para obtener una corriente fluidizada de partículas;
e. introducir la materia prima en la corriente fluidizada de partículas para obtener la fragmentación termolítica del azúcar para producir un producto de fragmentación denso en partículas; y a continuación
f. separar una fracción de las partículas del producto de fragmentación denso en partículas para producir un producto de fragmentación escaso en partículas;
g. templar el producto de fragmentación escaso en partículas al menos 50°C de modo que desde la introducción de la materia prima en la corriente de fluidización que contiene partículas hasta que se realiza el temple el tiempo de permanencia medio del gas sea un máximo de 5, tal como un máximo de 3, segundos, tal como un máximo de 2, 1,0,8 o 0,6 segundos; y
h. recuperar el producto de fragmentación en bruto,
i. transferir las partículas separadas en la etapa f) a un recalentador para el calentamiento; y
j) recircular las partículas calentadas al reactor de fragmentación.
Realización 2. El procedimiento según la realización 1, en el que el producto de fragmentación escaso en partículas se somete a una segunda etapa de separación de partículas después de la etapa g) de temple del producto de fragmentación escaso en partículas y antes de la etapa h) de recuperación del producto de fragmentación en bruto. Realización 3. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 o 2, en el que el reactor en la parte inferior comprende una entrada para partículas y una entrada para materia prima, en el que la entrada para materia prima se proporciona aguas abajo de la entrada para partículas.
Realización 4. El procedimiento según la realización 3, en el que el reactor en la parte inferior comprende además una entrada para la corriente de fluidización, y la entrada de fluidización se proporciona aguas arriba de la entrada para partículas.
Realización 5. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 3 o 4, en el que las partículas forman un lecho fluidizado de fase densa en la zona entre la entrada para partículas y la entrada para materia prima.
Realización 6. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 3 - 5, en el que la entrada para materia prima se proporciona en la parte inferior del elevador.
Realización 7. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 5, en el que reactor comprende un primer separador de partículas aguas abajo del elevador.
Realización 8. El procedimiento según la realización 7, en el que el reactor comprende un templador aguas abajo del primer separador de partículas.
Realización 9. El procedimiento según la realización 8, en el que el reactor comprende un segundo separador de partículas aguas abajo del templador.
Realización 10. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 9, en el que el reactor no comprende otros medios para el calentamiento que las partículas caloríferas.
Realización 11. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 10 , en el que el azúcar es un monoy/o disacárido.
Realización 12. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 11, en el que la solución de materia prima comprende una solución acuosa de un azúcar seleccionado del grupo que consiste en sacarosa, lactosa, xilosa, arabinosa, ribosa, manosa, tagatosa, galactosa, glucosa y fructosa; o sus mezclas.
Realización 13. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 12, en el que la concentración de azúcar en la solución de materia prima está entre 10 y 90% en peso.
Realización 14. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 13 en el que la temperatura de las partículas en la entrada para partículas del reactor de fragmentación es preferiblemente al menos 300°C, tal como al menos 400, 450, 500, 550, 600 o 650°C.
Realización 15. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 14 en el que la temperatura de las partículas en la entrada para partículas está dentro del intervalo de 300-800°C, tal como en el intervalo de 400-800 o 450-650°C.
Realización 16. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 15 en el que las partículas se seleccionan del grupo que consiste en arena, sílice, vidrio, alúmina, acero y carburo de silicio.
Realización 17. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 16, en el que el tamaño de partícula medio de las partículas caloríferas es de 20-400 gm, tal como de 20-300, 20-200 o 20-100 gm.
Realización 18. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 17, en el que las partículas de la etapa a) se introducen en el reactor de fragmentación a un caudal másico de al menos 10 kg/s.
Realización 19. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 18, en el que la velocidad dentro del elevador de fragmentación por encima de la entrada para materia prima está por encima de 2 m/s, tal como de 3-22, o de 5-20 m/s.
Realización 20. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 19, en el que el recalentador comprende una entrada para combustible y aire de combustión, un quemador, una entrada para partículas del recalentador, un elevador del recalentador, un separador de partículas del recalentador, una salida para gases del recalentador para gas de escape y una salida para partículas del recalentador.
Realización 21. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 a 20, en el que la temperatura de las partículas que salen por la salida para partículas del recalentador está en el intervalo de 300-800°C, tal como en el intervalo de 400-800, 400-700 o 500-700°C.
Realización 22. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 20 o 21, en el que el quemador está dispuesto dentro de una cámara para quemador, que está separada del elevador del recalentador, y el gas de combustión procedente de la cámara para quemador se conduce al elevador del recalentador.
Realización 23. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 20 - 22, en el que una parte del gas de escape procedente del recalentador después de la retirada del material en partículas se recircula a la cámara para quemador.
Realización 24. El procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 23, en el que el exceso de oxígeno se purga de las partículas antes de que se transfieran desde el recalentador hasta el reactor de fragmentación. Realización 25. Un procedimiento para la preparación de un compuesto hidroxilado C1-C3 a partir de un azúcar, que comprende las etapas de:
llevar a cabo un procedimiento según una cualquiera de las realizaciones 1 - 24; y a continuación
someter al producto de fragmentación en bruto a una hidrogenación para obtener el correspondiente compuesto hidroxilado C1-C3.
Realización 26. Un sistema para la fragmentación de una composición de azúcar en oxigenados C1-C3 , sistema que comprende un reactor de fragmentación, comprendiendo dicho reactor dentro del reactor,
• un elevador
• un primer separador de partículas
• una entrada para la corriente de fluidización
• una entrada para partículas
• una entrada para materia prima
• una salida para partículas
• una salida para producto,
en donde el elevador está dispuesto dentro y en la parte inferior del reactor de fragmentación; y la entrada para la corriente de fluidización y la entrada para partículas están dispuestas en la parte inferior del elevador; la entrada para materia prima está dispuesta en la parte inferior del elevador; por encima de la entrada para partículas el elevador está adaptado para fluidizar partículas en el elevador; y el primer separador de partículas está dispuesto en la parte superior del elevador y está adaptado para separar al menos una fracción de las partículas de una corriente de fluidización, y
en donde el reactor de fragmentación comprende además una sección de enfriamiento dispuesta aguas abajo del primer separador de partículas en relación con la corriente gaseosa, estando adaptada dicha sección de enfriamiento para enfriar la corriente de fluidización que sale del primer separador de partículas y el sistema comprende además un recalentador para recalentar partículas que salen del reactor de fragmentación, el recalentador comprende una entrada para combustible y aire de combustión, un quemador, una entrada para partículas del recalentador, un elevador del recalentador, un separador de partículas del recalentador, una salida para gases del recalentador y una salida para partículas del recalentador.
Realización 27. El sistema según la realización 26, en el que el reactor de fragmentación comprende además un segundo separador de partículas dentro del reactor de fragmentación, estando dispuesto dicho segundo separador de partículas en la parte superior del reactor de fragmentación y estando adaptado para separar una parte adicional de las partículas de la corriente de fluidización.
Realización 28. El sistema según una cualquiera de las realizaciones 26 o 27, en el que la sección de enfriamiento está adaptada para el temple mediante la inyección de un líquido en el reactor de fragmentación.
Realización 29. El sistema según una cualquiera de las realizaciones 26 o 27, en el que la sección de enfriamiento está adaptada para el temple al admitir una corriente de partículas más fría en el reactor de fragmentación.
Realización 30. El sistema según una cualquiera de las realizaciones 26 o 27, en el que la sección de enfriamiento comprende un termointercambiador indirecto.
Realización 31. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26-30, en el que el primer separador de partículas es un separador de bajo volumen.
Realización 32. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26-31, en el que el primer separador de partículas comprende al menos un separador de cambio de dirección.
Realización 33. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26-32, en el que el primer separador de partículas comprende al menos un tubo dispuesto con un primer extremo en la parte superior de y en conexión hidráulica con el elevador, y donde el segundo extremo del tubo está apuntando descendentemente y en conexión hidráulica con el reactor de fragmentación y fuera del elevador.
Realización 34. El sistema según cualquiera de las realizaciones 27-33, en el que el segundo separador de partículas es al menos un ciclón.
Realización 35. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26 a 34 , en el que el quemador y la entrada para combustible y aire de combustión del recalentador están dispuestos aguas arriba del elevador del recalentador, y la entrada para partículas del recalentador está dispuesta en la parte inferior del elevador del recalentador aguas abajo del quemador, y la entrada para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la salida para partículas del reactor de fragmentación, estando adaptado el elevador del recalentador para recalentar las partículas que salen del reactor de fragmentación por medio de gas de combustión procedente del quemador.
Realización 36. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26 a 35, en el que el separador de partículas del recalentador está dispuesto aguas abajo del elevador del recalentador, y la salida para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la entrada para partículas del reactor de fragmentación.
Realización 37. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26 a 36, en el que el quemador está dispuesto en una cámara para quemador separada.
Realización 38. El sistema según la realización 37, en el que la cámara para quemador está separada del elevador por una constricción.
Realización 39. El sistema según cualquiera de las realizaciones 26 a 38, en el que una cámara de purga está dispuesta aguas abajo del separador de partículas del recalentador y aguas arriba de la entrada para partículas del reactor de fragmentación.

Claims (22)

REIVINDICACIONES
1. Un procedimiento para la fragmentación termolítica de un azúcar en oxigenados C1-C3 , comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:
a. proporcionar partículas portadoras de calor y adecuadas para fluidización;
b. proporciona un reactor de fragmentación de lecho fluidizado que comprende un elevador y adecuado para efectuar una fragmentación termolítica y adecuado para fluidizar una corriente de partículas;
c. proporcionar una solución de materia prima que comprende un azúcar;
d. introducir las partículas en el reactor a una velocidad suficiente para mantener una temperatura de al menos 250°C, tal como al menos 300, 350, 400 o 450°C, después de que haya tenido lugar la fragmentación termolítica, y suficiente para obtener una corriente fluidizada de partículas;
e. introducir la materia prima en la corriente fluidizada de partículas para obtener la fragmentación termolítica del azúcar para producir un producto de fragmentación denso en partículas; y a continuación
f. separar una fracción de las partículas del producto de fragmentación denso en partículas para producir un producto de fragmentación escaso en partículas;
g. templar el producto de fragmentación escaso en partículas al menos 50°C de modo que desde la introducción de la materia prima en la corriente de fluidización que contiene partículas hasta que se realiza el temple el tiempo de permanencia medio del gas sea un máximo de 5, tal como un máximo de 3, segundos, tal como un máximo de 2, 1,0,8 o 0,6 segundos;
h. recuperar el producto de fragmentación en bruto,
i. transferir las partículas separadas en la etapa f) a un recalentador para el calentamiento; y
j. recircular las partículas calentadas al reactor de fragmentación.
2. El procedimiento según la reivindicación 1, en el que la entrada para materia prima se proporciona en la parte inferior del elevador.
3. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, en el que el reactor comprende un primer separador de partículas aguas abajo del elevador.
4. El procedimiento según la reivindicación 3, en el que el reactor comprende un templador aguas abajo del primer separador de partículas.
5. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 4, en el que el azúcar es un mono- y/o disacárido.
6. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 5, en el que la solución de materia prima comprende una solución acuosa de un azúcar seleccionado del grupo que consiste en sacarosa, lactosa, xilosa, arabinosa, ribosa, manosa, tagatosa, galactosa, glucosa y fructosa; o sus mezclas.
7. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 6, en el que la concentración de azúcar en la solución de materia prima está entre 10 y 90% en peso.
8. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 7 en el que la temperatura de las partículas en la entrada para partículas del reactor de fragmentación es preferiblemente al menos 300°C, tal como al menos 400, 450, 500, 550, 600 o 650°C.
9. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 8, en el que el recalentador comprende una entrada para combustible y aire de combustión, un quemador, una entrada para partículas del recalentador, un elevador del recalentador, un separador de partículas del recalentador, una salida para gases del recalentador para gas de escape y una salida para partículas del recalentador.
10. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 9, en el que la temperatura de las partículas que salen por la salida para partículas del recalentador está en el intervalo de 300-800°C, tal como en el intervalo de 400-800, 400-700 o 500-700°C.
11. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 9 o 10, en el que el quemador está dispuesto dentro de una cámara para quemador, que está separada del elevador del recalentador, y el gas de combustión procedente de la cámara para quemador se conduce al elevador del recalentador.
12. El procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 11, en el que el exceso de oxígeno se purga de las partículas antes de que se transfieran desde el recalentador hasta el reactor de fragmentación.
13. Un procedimiento para la preparación de un compuesto hidroxilado C1-C3 a partir de un azúcar, que comprende las etapas de:
llevar a cabo un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 - 12; y a continuación
someter al producto de fragmentación en bruto a una hidrogenación para obtener el correspondiente compuesto hidroxilado C1-C3.
14. Un sistema para la fragmentación de una composición de azúcar en oxigenados C1-C3 , que comprende un reactor de fragmentación, comprendiendo dicho reactor dentro del reactor,
• un elevador
• un primer separador de partículas
• una entrada para la corriente de fluidización
• una entrada para partículas
• una entrada para materia prima
• una salida para partículas
• una salida para producto,
en donde el elevador está dispuesto dentro y en la parte inferior del reactor de fragmentación; y la entrada para la corriente de fluidización y la entrada para partículas están dispuestas en la parte inferior del elevador; la entrada para materia prima está dispuesta en la parte inferior del elevador por encima de la entrada para partículas; el elevador está adaptado para fluidizar partículas en el elevador; y el primer separador de partículas está dispuesto en la parte superior del elevador y está adaptado para separar al menos una parte de las partículas de una corriente de fluidización, y
en donde el reactor de fragmentación comprende además una sección de enfriamiento dispuesta aguas abajo del primer separador de partículas en relación con la corriente gaseosa, estando adaptada dicha sección de enfriamiento para enfriar la corriente de fluidización que sale del primer separador de partículas y el sistema comprende además un recalentador para recalentar partículas que salen del reactor de fragmentación, el recalentador comprende una entrada para combustible y aire de combustión, un quemador, una entrada para partículas del recalentador, un elevador del recalentador, un separador de partículas del recalentador, una salida para gases del recalentador y una salida para partículas del recalentador.
15. El sistema según la reivindicación 14, en el que la sección de enfriamiento está adaptada para el temple mediante la inyección de un líquido en el reactor de fragmentación.
16. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 o 15, en el que el primer separador de partículas es un separador de bajo volumen.
17. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 - 16, en el que el primer separador de partículas comprende al menos un separador de cambio de dirección.
18. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17, en el que el quemador y la entrada para combustible y aire de combustión del recalentador están dispuestos aguas arriba del elevador del recalentador, y la entrada para partículas del recalentador está dispuesta en la parte inferior del elevador del recalentador aguas abajo del quemador, y la entrada para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la salida para partículas del reactor de fragmentación, estando el elevador del recalentador adaptado para recalentar las partículas que salen del reactor de fragmentación por medio de gas de combustión procedente del quemador.
19. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 18, en el que el separador de partículas del recalentador está dispuesto aguas abajo del elevador del recalentador, y la salida para partículas del recalentador está en conexión hidráulica con la entrada para partículas del reactor de fragmentación.
20. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 19, en el que el quemador está dispuesto en una cámara para quemador separada.
21. El sistema según la reivindicación 20, en el que la cámara para quemador está separada del elevador por una constricción.
22. El sistema según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 21, en el que una cámara de purga está dispuesta aguas abajo del separador de partículas del recalentador y aguas arriba de la entrada para partículas del reactor de fragmentación.
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