ES2918224T3 - Reactor de metanación biológica - Google Patents

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ES2918224T3 ES18769755T ES18769755T ES2918224T3 ES 2918224 T3 ES2918224 T3 ES 2918224T3 ES 18769755 T ES18769755 T ES 18769755T ES 18769755 T ES18769755 T ES 18769755T ES 2918224 T3 ES2918224 T3 ES 2918224T3
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Stéphane Fortin
Yilmaz Kara
Sandra Capela
Marion Maheut
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Abstract

El reactor (100) para la metanación biológica de dihidrógeno o un gas rico en dihidrógeno y dióxido de carbono o un gas rico en dióxido de carbono, comprende: -un recinto (105) que tiene un extremo longitudinal (106) denominado “bajo; bajo; bajo;” y un extremo longitudinal opuesto (107) denominado “alto”, dicho recinto compuesto, cerca del extremo bajo: - una entrada primaria (110, 405) para agua, - una entrada (115, 405) para dihidrógeno o gas rico en dihidrógeno y - una entrada (120, 405) para dióxido de carbono o gas rico en dióxido de carbono y cerca del extremo superior: - una salida (125) para metano sintético o gas sintético rico en metano y - una salida primaria (130) Para el agua, un material de soporte (135) para formar un lecho de flora metanogénica, que tiene una densidad menor que la densidad del agua, móvil en la traducción a lo largo del eje longitudinal (101) del recinto, configurada para recibir una flora metanogénica y: entre el material de soporte, por un lado, y la salida para el metano y la salida para el agua, por otro lado, una superficie (140) para retener el material de soporte perforado que forma una parada para el movimiento longitudinal del material de soporte en la posición de dicha superficie. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor de metanación biológica
Campo técnico de la invención
La presente invención se dirige a un reactor de metanación biológica. Es aplicable en particular al campo de la metanación industrial para producir un gas rico en metano sintético mediante la conversión de dióxido de carbono y dihidrógeno.
Técnica anterior
Las tecnologías de metanación biológica se usan a veces para aumentar el contenido de metano en el biogás que emana de la metanización biológica. La metanización biológica produce un biogás rico en metano y dióxido de carbono, y que contiene un número de constituyentes menores que proceden de la fermentación, tales como amoníaco, hidrógeno sulfurado, siloxanos, etc. Las proporciones entre el metano y el dióxido de carbono varían de una metanización a otra, pero la relación 50/50 da un orden de la magnitud de las cantidades relativas de estos dos constituyentes principales. La producción de dióxido de carbono durante la metanización es inevitable, pero representa una porción significativa del carbono que se produce inicialmente en el metanizador que no se encuentra enriquecido en metano, y además es un constituyente que hay que eliminar si se pretende inyectar el metano en la red de gas natural.
Con el fin de evitar este doble inconveniente, es posible metanizar el dióxido de carbono del biogás por medio de dos técnicas:
- metanación termoquímica, y
- metanación biológica.
En ambos casos, con el fin de realizar la metanación, se mezclan dióxido de carbono y dihidrógeno en un reactor. En la metanación termoquímica, la reacción tiene lugar en la fase gaseosa a alta temperatura (a una temperatura de aproximadamente 300 a 400 °C) bajo una presión mayor o menor, y en presencia de un catalizador.
En la metanación biológica, la reacción tiene lugar en la fase líquida, en virtud de los microorganismos metanogénicos del dominio Archaea, por ejemplo.
En ambos casos, la reacción global de metanación es:
CO2 4 H2 ^ CH4 2 H2O calor
Al igual que para un número de procesos biológicos, una pluralidad de condiciones tiene que combinarse con el fin de que la reacción tenga lugar correctamente, entre las cuales pueden señalarse las siguientes:
- un medio anaeróbico húmedo,
- una temperatura suficiente,
- la presencia de nutrientes, y
- acceso a reactivos y microorganismos.
Incluso si el cultivo en el medio anaeróbico húmedo en un intervalo de temperatura satisfactorio y la presencia de nutrientes puede manejarse fácilmente, el acceso a los reactivos, que son el dihidrógeno y el dióxido de carbono, puede plantear problemas porque el dihidrógeno es poco soluble en agua y significativamente menos soluble que el dióxido de carbono. En efecto, la reacción de metanación requiere una relación teórica H2/CO2 de 4:1, y el fallo en el respeto de esta estequiometría, o la dificultad de acceso a los reactivos, resultan en pérdidas de eficiencia, exceso de reactivos en el gas que se produce, y consecuentemente el riesgo de que dicho gas no cumpla con las especificaciones para su inyección en una red de gas natural, y que debe realizarse un procesamiento costoso para eliminar estos excesos.
Se han llevado a cabo muchos trabajos con el fin de probar la posibilidad de realizar la metanación biológica en laboratorio y a escala industrial. Esto incluye:
- el lecho bacteriano de percolación, y
- el reactor de agitación.
El lecho bacteriano es un reactor que usa un material de sustrato para el desarrollo de microorganismos, y este material se salpica con agua con el fin de mantener el medio húmedo y para permitir la transferencia de reactivos gaseosos al agua con el fin de que los microorganismos lleguen a ella. El gas reactivo se introduce a través de la base del reactor.
El lecho bacteriano (como se describió en el documento DE 10 2011 051 836) se caracteriza por un flujo a contracorriente de los flujos líquido y gaseoso. El gas tiende a circular de acuerdo con un modelo que se denomina “pistón”, lo que es ventajoso para el rendimiento de la reacción. Sin embargo, la circulación puede verse obstaculizada por el crecimiento bacteriano sobre los soportes y provocar pasajes preferenciales. Con el fin de limitar este tipo de problemas, el régimen de flujo de gas es relativamente bajo, con el fin de permitir un tiempo de contacto suficiente entre los reactivos y los microorganismos que se inmovilizan en el sustrato. El lecho bacteriano se caracteriza por una tasa de producción relativamente baja (1,17 Nm3 CH4/metro3/día), y por lo tanto una huella y una masa volumétrica significativa. Dicha masa se asocia con el hecho de que es necesario mantener una columna vacía significativa con el fin de mantener los pasajes libres para el gas y el líquido, y no bloquear el material de sustrato.
El reactor de agitación es un reactor que se equipa con un agitador que gira a alta velocidad con el fin de dispersar, en el medio, los gases y en particular el hidrógeno en finas burbujas, así como también los microorganismos, con el fin de aumentar el acceso de los microorganismos a los reactivos.
El reactor de agitación tiene buenas tasas de producción - valores de 100 a 200 Nm3 CH4/m3/día, por ejemplo. Sin embargo, se requiere un conducto de pared (para el agitador), lo que plantea problemas con respecto a la estanqueidad del sistema, y por lo tanto la seguridad, y además el agitador causa un consumo de energía. Debido a su diseño, dicho tipo de reactor se denomina del tipo perfectamente agitado; por lo tanto, la distribución de los tiempos de permanencia tiene una gran dispersión - desde muy corta hasta muy larga; además, siempre hay una fuga más o menos significativa de reactivo gaseoso. Finalmente, en este tipo de reactores, los microorganismos se encuentran en un cultivo que se denomina “libre”, y por tanto se encuentran muy diluidos en el medio, lo que no promueve el contacto entre los microorganismos y los reactivos. Este problema se agrava por el hecho de que la metanación biológica produce agua que diluye el medio y que tiene que evacuarse, porque el reactor permanece como una cámara que tiene un volumen finito. El documento US4571384 describe un método para producir metano a partir de dióxido de carbono y dihidrógeno. El método usa una cámara que tiene un material de sustrato para los microorganismos productores de metano, hecho de partículas de carbonato mineral.
Ninguna de estas enseñanzas hace posible optimizar el acceso de los microorganismos a los reactivos con el fin de respetar óptimamente la estequiometría preferida de la reacción de metanación, mientras se tiene un reactor compacto.
Objeto de la invención
La presente invención tiene como objetivo superar todos o algunos de estos inconvenientes.
Para este propósito, la presente invención se dirige a un reactor de metanación biológica de dihidrógeno o de gas rico en dihidrógeno, y de dióxido de carbono o de gas rico en dióxido de carbono, que comprende:
- una cámara que tiene una extremidad longitudinal, que se denomina "inferior", y una extremidad longitudinal opuesta, que se denomina "superior", dicha cámara que comprende, en los alrededores de la extremidad inferior: - una entrada primaria para el agua,
- una entrada para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno, y
- una entrada para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono; y en los alrededores de la extremidad superior:
- una salida para el metano sintético o un gas rico en metano sintético, y
- una salida primaria para el agua;
- un material de sustrato para formar un lecho de flora metanogénica, que tiene una densidad inferior a la densidad del agua, móvil en traslación a lo largo del eje longitudinal de la cámara, y que se configura para recibir la flora metanogénica; y
- entre el material de sustrato por una parte y la salida de metano y la salida de agua por otra parte, una superficie perforada para retener el material de sustrato, que forma un tope para el movimiento longitudinal del material de sustrato en la posición de dicha superficie.
En virtud de estas disposiciones, se mejora el acceso de los reactivos a la flora metanogénica, debido a que dicha flora se concentra en el material de sustrato. El soporte móvil sirve como lugar de colonización para los microorganismos y, debido a su relación superficie/volumen, hace posible crear una gran superficie de contacto entre los microorganismos y el medio. Además, al inmovilizar los microorganismos sobre un sustrato se logra un efecto de concentración de la biomasa que es mayor que en el caso de los cultivos libres. Estos dos efectos contribuyen a aumentar la capacidad de reacción por unidad de volumen y, por lo tanto, a reducir la huella del reactor. También hacen posible lograr residuos de reactivos muy bajos en el gas que se produce.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende un rebosadero de recogida de agua que se posiciona aguas arriba de la salida para el metano o el gas rico en metano y la salida de agua primaria, y aguas abajo de la superficie de retención, a lo largo del eje de movimiento longitudinal del material de sustrato en la cámara, que se orienta hacia la extremidad superior de la cámara, lo que forma un colector para el agua que pasa sobre el rebosadero, la salida de agua primaria se posiciona en este colector.
Estos métodos de recuperación permiten recuperar agua que, en la medida de lo posible, se encuentra libre de metano sintético. Además, estas modalidades hacen posible limitar el movimiento del material de sustrato en la cámara, al formar un tope superior.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende:
- al menos una bomba para recircular el agua que pasa a través de la salida de agua de la cámara; y
- al menos un intercambiador de calor que se configura para calentar o enfriar el agua que sale de la cámara; El agua recirculada, a la salida del intercambiador de calor, se reinyecta al menos parcialmente en la cámara a través de una tubería de inyección.
Estas modalidades hacen posible enfriar o calentar el medio dentro de la cámara. En el estado inicial del reactor, el calentamiento de dicho medio puede ser favorable con el fin de promover el desarrollo de la flora metogénica, mientras que, durante la operación, dada la naturaleza exotérmica de la reacción de metanación, puede ser favorable para reducir la temperatura dentro de la cámara.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende un sensor para medir el nivel de agua en la cámara y una evacuación de agua del reactor, la abertura de evacuación se controla de una manera que depende del nivel de agua detectado.
En algunas modalidades, el sensor para medir el nivel en la cámara controla la apertura de una entrada de agua cuando el nivel de agua detectado se encuentra más abajo de un valor umbral predeterminado.
Estas modalidades hacen posible permitir la evacuación del exceso de agua del reactor, o añadir agua si es necesario.
En algunas modalidades, el agua recirculada se inyecta en un flujo que comprende al menos dihidrógeno y/o dióxido de carbono, aguas arriba de la entrada de dihidrógeno y/o la entrada de dióxido de carbono en la cámara.
Estas modalidades hacen posible promover la miscibilidad de los reactivos en el agua, en particular cuando la temperatura del agua se ha reducido, porque la miscibilidad de los gases en el agua se mejora a baja temperatura. En algunas modalidades, la cámara comprende una entrada para nutrientes y/o reactivos adicionales y/o agua. Estas modalidades hacen posible proporcionar al medio dentro de la cámara con algo para promover el desarrollo de la flora metanogénica, o algo para prevenir los efectos auxiliares de la reacción que pueden interrumpir el proceso, tal como la formación de espuma, por ejemplo.
En algunas modalidades, los nutrientes y/o reactivos adicionales se inyectan en la tubería para inyectar agua recirculada.
Estas modalidades hacen posible limitar el número de aberturas en la cámara, para promover la estanqueidad de la misma.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende una entrada de agua secundaria en los alrededores de la extremidad superior de la cámara y una salida de recuperación de agua secundaria en los alrededores de la extremidad inferior de la cámara.
Estas modalidades hacen posible lavar el interior de la cámara al inyectar agua en ella en la parte superior y al recoger agua en la parte inferior, así como también los residuos que se desprenden del interior de la cámara y del material de sustrato. Si procede, dichas entradas y salidas de agua hacen posible regular el nivel de agua en el reactor, en asociación con los medios para medir el nivel de agua en el reactor.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende una unidad de control que se configura para controlar la actuación de un modo de operación del reactor de entre al menos dos, en donde:
- en un modo activo:
- la entrada de agua secundaria y la salida de recuperación de agua secundaria se desactivan, y
- la entrada de agua primaria, la entrada de dihidrógeno, la entrada de dióxido de carbono y la salida de agua primaria se activan; y
- en un modo de lavado:
- la entrada de agua primaria, la entrada de dihidrógeno, la entrada de dióxido de carbono y la salida de agua primaria se desactivan; y
- la entrada de agua secundaria y la salida de recuperación de agua secundaria se activan.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende un medio para medir la caída de presión entre la entrada y la salida del reactor, representativa de la caída de presión en el lecho de sustrato, un cambio en el modo de operación se controla en dependencia de la caída de presión que se mide.
Estas modalidades hacen posible optimizar la activación del modo de lavado.
En algunas modalidades, el reactor comprende, en la parte inferior, un piso perforado y un espacio libre entre la parte inferior del material de sustrato y el piso, que es lo suficientemente grande para que, en el modo de lavado, el material de sustrato que experimenta expansión o fluidización asociado con el flujo no se arrastre por el régimen de flujo de agua en el sistema de recuperación de agua.
En algunas modalidades, el sistema de recuperación se dimensiona para evitar que el material de sustrato se arrastre durante el lavado, o mediante el uso de filtros o rejillas o cualquier otro dispositivo que hace posible retener el material de sustrato durante la fase de lavado, o mediante el dimensionamiento del espacio libre y el régimen de flujo de agua de lavado.
En algunas modalidades, la entrada para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno, la entrada para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono y la entrada de agua primaria son una y la misma.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la presente invención comprende, aguas arriba de la entrada combinada para el agua, el dihidrógeno y el dióxido de carbono, un medio para disolver el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono, y el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno, en agua.
Estas modalidades hacen posible optimizar la disolución del dióxido de carbono y del dihidrógeno en agua, aguas arriba de la cámara.
En algunas modalidades, al menos parte del agua recirculada se inyecta en los medios de disolución.
En algunas modalidades, el reactor al que se refiere la invención comprende un medio para disolver el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono en agua, por una parte, y un medio para disolver el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno en agua por otra parte, cada medio de disolución se suministra con agua por medio del agua recirculada, el régimen de flujo de recirculación de agua a cada medio de disolución se controla independientemente.
Estas modalidades hacen posible variar la estequiometría de los reactivos de metanación en el interior de la cámara en virtud de la recirculación de agua.
Breve descripción de las figuras
Otras ventajas, objetivos y características particulares de la invención se harán evidente de la siguiente descripción no limitante de al menos una modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención, con referencia a los dibujos acompañantes, en los que:
- La Figura 1 muestra esquemáticamente una primera modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención,
- La Figura 2 muestra esquemáticamente una segunda modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención,
- La Figura 3 muestra esquemáticamente una tercera modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención,
- La Figura 4 muestra esquemáticamente una cuarta modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención,
- La Figura 5 muestra esquemáticamente una quinta modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención, y
- La Figura 6 muestra esquemáticamente una sexta modalidad particular del dispositivo al que se refiere la presente invención.
Descripción de las modalidades de la invención
La presente descripción se da por medio de un ejemplo no limitante, pues es posible que cada característica de una modalidad se combine con cualquier otra característica de cualquier otra modalidad, de manera ventajosa.
Inmediatamente se notará que las figuras no se encuentran a escala.
La Figura 1, que no se encuentra a escala, es una vista esquemática de una modalidad del reactor 100 al que se refiere la presente invención. Dicho reactor de metanación biológica 100 de dihidrógeno o de un gas rico en dihidrógeno, y de dióxido de carbono o de un gas rico en dióxido de carbono, comprende:
- una cámara 105 que tiene una extremidad longitudinal 107, que se denomina "inferior", y una extremidad longitudinal opuesta 106, que se denomina "superior", dicha cámara que comprende, en los alrededores de la extremidad inferior:
- una entrada primaria 110 para el agua,
- una entrada 115 para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno, y
- una entrada 120 para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono, y
en los alrededores de la extremidad superior:
- una salida 125 para el metano sintético o un gas rico en metano sintético, y
- una salida primaria 130 para el agua;
- un material de sustrato 135 para formar un lecho de flora metanogénica, que tiene una densidad inferior a la densidad del agua, móvil en traslación a lo largo del eje longitudinal 101 de la cámara, y que se configura para recibir la flora metanogénica; y
- entre el material de sustrato por una parte y la salida de metano y la salida de agua por otra parte, una superficie perforada 140 para retener el material de sustrato y, por ejemplo, que se equipa con dispositivos de filtro o rejillas que permiten el paso del agua y de los gases pero retienen el material de sustrato, forma un tope para el movimiento longitudinal del material de sustrato en la posición de dicha superficie.
La cámara 105 se forma, por ejemplo, por un volumen cerrado y sellado que comprende aberturas para posicionar entradas o salidas de reactivos, reactivos auxiliares, nutrientes, agua o gas, en el volumen cerrado. Dicho volumen cerrado hace posible formar un medio metanogénico a través de la reacción de metanación que tiene lugar en él. La forma interna y/o externa de la cámara 105 no es importante para la presente invención, mientras que la cámara sea estanca. La cámara 105 es preferentemente de forma tubular, es decir, de forma cilíndrica, y puede ser alargada como se muestra en las Figuras 1, 4 y 5.
Dicha cámara 105 comprende un extremidad longitudinal inferior 107 que se destina a posicionarse en los alrededores del suelo del sitio de posicionamiento del reactor 100.
Dicha cámara 105 comprende un extremidad longitudinal superior 106 que se destina a posicionarse lejos del suelo del sitio de posicionamiento del reactor 100.
La cámara 105 comprende, en los alrededores de la extremidad inferior 107:
- una entrada primaria 110 para el agua,
- una entrada 115 para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno, y
- una entrada 120 para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono.
Cada entrada 110, 115 y 120 es, por ejemplo, una boquilla de inyección, una boquilla, un tubo perforado, una red de tuberías que se equipa con filtros. Sin embargo, cualquier miembro de inyección de fluido típicamente usado en un reactor de metanación biológica puede usarse para implementar cada entrada 110, 115 y 120.
Preferentemente, cada entrada 110, 115 y 120 se posiciona de manera que, cuando el material de sustrato 135 entra en contrato contra la superficie de retención 140, cada entrada 110, 115 y 120 se ubica en el agua bajo el material de sustrato 135.
En algunas variantes, se combinan al menos dos entradas 110, 115 y/o 120. Cuando al menos la entrada primaria 110 para el agua y al menos una entrada desde la entrada de dihidrógeno 115 y la entrada de dióxido de carbono 120 se combinan, un medio de disolución para cada gas, cuya entrada 115 y/o 120 se combina con la entrada primaria 110 para el agua, se posiciona aguas arriba de dicha entrada combinada. Un medio de disolución de este tipo se describe con referencia a la Figura 5.
Una superficie perforada 108, que puede equiparse con rejillas o filtros con el fin de permitir una buena distribución del agua que pasa a través de dicha superficie, mientras se evita que el material de sustrato se lleve a lo largo de la misma, se dispone preferentemente entre las entradas de gas y agua de la extremidad inferior 107.
La cámara 105 comprende, en los alrededores de la extremidad superior 106:
- una salida 125 para metano sintético, y
- una salida primaria 130 para el agua.
Cada salida 125 y 130 es, por ejemplo, una abertura hecha en la cámara 105 que se conecta a una tubería de transporte.
Preferentemente, la salida primaria 130 para el agua se ubica más cerca de la superficie de retención 140 que la salida 125 para el metano sintético.
En algunas variantes, la salida 130 se equipa con un dispositivo de separación (no se muestra) para eliminar los restos que proceden del desarrollo de microorganismos (ciclón, filtro, por ejemplo). Dicho dispositivo puede encontrarse aguas arriba de la salida, y por tanto en el reactor 100, o aguas abajo de la salida, y por tanto fuera del reactor 100.
En algunas variantes, el reactor 100 comprende tubos intercambiadores de calor que se encuentran sumergidos en la cámara 105 y a través de los cuales pasa un fluido que tiene una temperatura compatible con la temperatura nominal de operación dentro de la cámara 105 durante la operación del reactor 100. El fluido puede encontrarse a una temperatura más alta que el interior de la cámara 105 con el fin de permitir el calentamiento o el mantenimiento de la temperatura del reactor 100, o incluso dicho fluido puede encontrarse más frío que el interior de la cámara 105 con el fin de permitir el mantenimiento de la temperatura del reactor 100 al evacuar el exceso de calor.
Debido a la estanqueidad de la cámara 105 y al posicionamiento de las respectivas entradas y salidas, el dihidrógeno y el dióxido de carbono se desplazan verticalmente en la cámara 105, desde la extremidad inferior a la extremidad superior, y así pasan a través del material de sustrato 135 durante dicho movimiento. Durante dicho paso, la flora metanogénica transforma dichos reactivos en metano, y el metano, que es gaseoso, se desplaza también hacia la extremidad superior de la cámara 105, lo que forma un techo gaseoso en la parte superior de la cámara 105. Dicho techo gaseoso se evacua por la salida 125 para el metano sintético.
El agua que ha entrado en la cámara 105 llena gradualmente la cámara 105 y empuja el material de sustrato 135, que es menos denso que el agua, hacia la parte superior de la cámara 105, hasta que el material de sustrato 135 se bloquea por la superficie de retención 140. El agua continúa el llenado de la cámara 105 hasta que alcanza la salida primaria 130 de agua, donde se evacua el agua de la cámara 105. El agua que se forma por la reacción de metanación se añade al agua que se inyecta en la cámara 105.
El material de sustrato 135 se compone, por ejemplo, de bolas que se forman de un material que es menos denso que el agua. Dichas bolas permiten la acumulación de la flora metanogénica, dicha flora se forma por la familia de microorganismos Archaea, por ejemplo.
Las bolas se forman, por ejemplo, de carbón activado o polímeros - poliestireno, poliacrílico y, por supuesto, variantes en forma de copolímeros.
Dicho material de sustrato 135 permite el desarrollo de una flora metanogénica que se concentra en la región del material de sustrato 135, dicho material de sustrato 135 se mueve a lo largo de la cámara 105 en dependencia del llenado de la cámara 105 con agua.
La superficie de retención 140 es, por ejemplo, una rejilla o una superficie que se equipa con filtros. En las Figuras 2 y 3 se muestra un ejemplo de una superficie de retención 140 de este tipo.
En algunas variantes, la superficie de retención 140 es móvil en traslación a lo largo del eje longitudinal de la cámara, el movimiento de dicha superficie 140 se limita por un tope que se posiciona aguas arriba de la salida de metano 125 y de la salida de agua primaria 130 a lo largo del eje de movimiento longitudinal del material de sustrato 135 en la cámara 105.
Por lo tanto, como se entiende, el reactor de lecho flotante como se describió anteriormente hace posible crear una superficie de contacto muy grande entre los microorganismos y los gases reactivos, sin necesidad de agitación mecánica. Así, es posible trabajar a presiones significativas sin el riesgo de fuga de gas y sin el riesgo de avería de un elemento mecánico sensible, tal como un agitador. Además, el uso de un agitador, con el fin de asegurar un buen contacto entre los microorganismos y los reactivos, a veces requiere el control de la aeráulica del sistema. La presente invención hace posible simplificar el diseño del reactor de metanación biológica.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 1, el reactor 100 comprende un rebosadero de recogida de agua 145 que se posiciona aguas arriba de la salida de metano 125 y la salida de agua primaria 130, y aguas abajo de la superficie de retención 140, a lo largo del eje 101 de movimiento longitudinal del material de sustrato 135 en la cámara 105, que se orienta hacia la extremidad superior 106 de la cámara, lo que forma un colector para el agua que pasa sobre el rebosadero, la salida primaria de agua 130 se posiciona en este colector.
El rebosadero 145 puede ser un caño o un canal o cualquier otro sistema de recogida de agua por gravedad.
El rebosadero 145 se posiciona preferentemente en la periferia interior de la cámara 105, para recibir el interior del perímetro de la sección transversal de la cámara 105, al menos en parte. Dicho rebosadero 145 hace posible recoger el exceso de agua en la cámara 105.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 1, el reactor 100 comprende:
- al menos una bomba 150 para recircular el agua que pasa a través de la salida de agua 130 de la cámara 105; y - al menos un intercambiador de calor 155 que se configura para calentar o enfriar el agua que sale de la cámara; El agua recirculada, en la salida del intercambiador de calor, se reinyecta al menos parcialmente en la cámara a través de una tubería de inyección 160.
Cada bomba 150 es, por ejemplo, del tipo centrífugo, de pistón, de diafragma, de tornillo, de engranajes o de peristáltica.
Cada intercambiador 155 es, por ejemplo, del tipo conjunto de tubos o placas.
El intercambiador de calor 155 se controla, por ejemplo, en dependencia de un valor de temperatura detectado en el interior de la cámara 105, en la región del material de sustrato 135, en el agua más abajo o por encima de la superficie de retención 140. El intercambiador de calor 155 también puede controlarse en dependencia de la temperatura de salida del mismo.
En algunas variantes, el reactor 100 comprende un sensor de temperatura (no se muestra) que se posiciona dentro de la cámara 105 o en una tubería que conecta el intercambiador de calor 155 y la entrada primaria 160 para el agua recirculada.
En algunas variantes, el agua que se inyecta en el reactor 100 se precalienta o se preenfría a una temperatura específica, con lo que es posible para dicha temperatura depender de una temperatura detectada por el sensor de temperatura del reactor 100 descrito anteriormente.
El agua que se inyecta es de una temperatura adecuada para mantener una temperatura, en la cámara, que permita el desarrollo de la flora. Dicha temperatura es, por ejemplo, de entre 30 y 70 °C, y preferentemente de entre 60 y 65 °C. El agua se inyecta preferentemente a la menor temperatura posible, por encima de 0 °C, lo que permite mantener la temperatura de desarrollo de la flora, dadas las condiciones de operación del reactor.
El agua así recirculada se proporciona en la entrada de agua primaria 130, a través de la tubería de inyección 160. En algunas modalidades preferidas, el reactor 100 comprende un sensor 190 para detectar el nivel de agua en la cámara 105 y un medio de evacuación de agua 131 que se controla por una válvula 195. Cuando el nivel de agua detectado en la cámara 105 se encuentra por encima de un valor umbral específico, el medio de evacuación 131 se abre en virtud de la válvula 195 que permite una salida definitiva de agua, mientras se evita cualquier recirculación asociada con la bomba 150.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 1, la cámara 105 comprende una entrada 165 para nutrientes y/o reactivos adicionales y/o agua.
Los nutrientes promueven el desarrollo de la flora metanogénica, mientras que los reactivos adicionales tienen como objetivo limitar alguna desintegración en el medio de reacción dentro de la cámara 105. Dichos reactivos adicionales comprenden, por ejemplo, reguladores de pH o agentes antiespumantes.
En algunas variantes, la entrada 165 se combina con al menos una de las entradas para el agua 110, para el dihidrógeno 115 y/o para el dióxido de carbono 120.
La inyección de reactivos adicionales puede realizarse en dependencia de la detección de valores de variables físicas dentro de la cámara 105. Por ejemplo, la inyección de un reactivo regulador de pH puede controlarse en dependencia de un valor de pH que se mide dentro de la cámara 105, o del agua que pasa por la salida de agua primaria 130.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 1, el reactor 100 comprende una entrada de agua secundaria 170 en los alrededores de la extremidad superior 106 de la cámara 105 y una salida de recuperación de agua secundaria 175 en los alrededores de la extremidad inferior 107 de la cámara.
La salida de recuperación de agua secundaria 175 se encuentra preferentemente precedida por un dispositivo para distribuir el régimen de flujo de agua, por ejemplo, un suelo perforado 108 como se muestra en la Figura 1, o una red de tuberías perforadas.
El agua que se inyecta por lo tanto en la cámara 105 circula por medio de la gravedad sobre el material de sustrato 135 y causa el desprendimiento de grupos de flora metanogénica que se llevan hacia la extremidad inferior de la cámara 105. Debido a la descohesión del lecho, al efecto de la velocidad hidráulica alrededor de los elementos de sustrato, y a los impactos y roces entre los elementos de sustrato, los posibles materiales en suspensión y los excesos de desarrollo de flora metanogénica se desprenden del sustrato y se llevan junto con el agua hacia la salida de recuperación de agua secundaria 175. El agua de lavado, así como también los efluentes que se recogen, se evacuan de la cámara 105 a través de la salida de recuperación de agua secundaria 175.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 1, el reactor 100 comprende una unidad de control 180 que se configura para controlar la activación de un modo de operación del reactor 100 de entre al menos dos, en donde:
- en un modo activo:
- la entrada de agua secundaria 170 y la salida de recuperación de agua secundaria 175 se desactivan, y - la entrada de agua primaria 110, la entrada de dihidrógeno 115, la entrada de dióxido de carbono 120 y la salida de agua primaria 130 se activan; y
- en un modo de lavado:
- la entrada de agua primaria 110, la entrada de dihidrógeno 115, la entrada de dióxido de carbono 120 y la salida de agua primaria 130 se desactivan; y
- la entrada de agua secundaria 170 y la salida de recuperación de agua secundaria 175 se activan.
Cuando el reactor comprende una entrada 165 para nutrientes y/o para reactivos adicionales, dicha entrada 165 se desactiva en el modo de lavado y se activa en el modo activo.
La unidad de control 180 es, por ejemplo, un circuito de control electrónico que ejecuta un programa informático que se configura para controlar el paso del modo activo al modo de lavado, y viceversa, de acuerdo con un criterio predeterminado. Dicho criterio puede ser temporal, el paso del modo activo al modo de lavado se controla al final de un tiempo de operación específico del reactor 100 y, viceversa, al final de otro período específico después de que el reactor 100 haya pasado al modo de lavado.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 1, el reactor comprende un medio 185 para medir la caída de presión entre la entrada y la salida del reactor, representativa de la caída de presión en el lecho de sustrato, un cambio en el modo de operación se controla en dependencia de la caída de presión que se mide.
Dicho medio 185 para medir la caída de presión es, por ejemplo, un sensor diferencial de presión a ambos lados del material de sustrato 135 o por dos mediciones de presión (no se muestran).
En algunas variantes, el reactor 100 comprende tubos intercambiadores de calor que se encuentran sumergidos en la cámara 105 y a través de los cuales pasa un fluido que tiene una temperatura compatible con la temperatura nominal de operación dentro de la cámara 105 durante la operación del reactor 100. El fluido puede encontrarse a una temperatura más alta que el interior de la cámara con el fin de permitir el calentamiento o el mantenimiento de la temperatura del reactor, o incluso dicho fluido puede encontrarse más frío que el interior de la cámara con el fin de permitir el mantenimiento de la temperatura del reactor al evacuar el exceso de calor.
La Figura 2 muestra esquemáticamente una sección transversal del interior de la cámara 105 de acuerdo con un plano que se posiciona entre el rebosadero 145 y la salida de metano 125 y se orienta hacia el extremo inferior de la cámara 105. Dicha Figura 2 muestra una variante en la que la superficie 140 se equipa con al menos un filtro para retener el material de sustrato, dicho filtro se dimensiona para permitir el paso del régimen de flujo de agua y gas, y para retener el material de sustrato, el rebosadero 145 y al menos dos salidas de agua primarias 130 y de exceso 131 que se ubican en el rebosadero 145.
La Figura 3 muestra esquemáticamente una sección transversal del interior de la cámara 105 de acuerdo con un plano que se posiciona entre el rebosadero 145 y la salida de metano 125 y se orienta hacia el extremo inferior de la cámara 105. Dicha Figura 3 muestra una variante en la que la superficie 140 es una rejilla de retención, el rebosadero 145 y al menos dos salidas de agua primaria 130 y de exceso 131 se ubican en el rebosadero 145. La Figura 4 muestra esquemáticamente una modalidad particular del reactor 400 al que se refiere la presente invención. Dicho reactor de metanación biológica 400 de dihidrógeno o de gas rico en dihidrógeno, y de dióxido de carbono o de gas rico en dióxido de carbono, comprende:
- una cámara 105 que tiene una extremidad longitudinal 107, que se denomina "inferior", y una extremidad longitudinal opuesta 106, que se denomina "superior", dicha cámara que comprende, en los alrededores de la extremidad inferior, una entrada combinada 405 pero que puede separarse:
- para el agua;
- para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno; y
- para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono; y
en los alrededores de la extremidad superior:
- una salida 125 para el metano sintético o un gas rico en metano sintético, y
- una salida primaria 130 para el agua;
- un material de sustrato 135 para formar un lecho de flora metanogénica, que tiene una densidad inferior a la densidad del agua, móvil en traslación a lo largo del eje longitudinal 101 de la cámara, y que se configura para recibir la flora metanogénica; y
- entre el material de sustrato por una parte y la salida de metano y la salida de agua por otra parte, una superficie perforada 140 para retener el material de sustrato, que forma un tope para el movimiento longitudinal del material de sustrato en la posición de dicha superficie.
En esta modalidad particular, el reactor 400 comprende al menos dos salidas de agua primarias 130 y, para cada salida, una bomba 150; cada salida puede equiparse, o no, con un intercambiador de calor 155, el agua recirculada se inyecta en una tubería de inyección común, pero que puede separarse, en la cámara 105.
En esta modalidad, el agua recirculada se inyecta en un flujo que comprende al menos dihidrógeno y/o dióxido de carbono, aguas arriba de la entrada de dihidrógeno 405 y/o la entrada de dióxido de carbono 405 en la cámara. En esta modalidad, los nutrientes y/o reactivos adicionales se inyectan en la tubería para inyectar agua recirculada. La Figura 5 muestra esquemáticamente una modalidad particular del reactor 500 al que se refiere la presente invención. Dicho reactor de metanación biológica 500 de dihidrógeno o de gas rico en dihidrógeno, y de dióxido de carbono o de gas rico en dióxido de carbono, comprende:
- una cámara 105 que tiene una extremidad longitudinal 107, que se denomina "inferior", y una extremidad longitudinal opuesta 106, que se denomina "superior", dicha cámara que comprende, en los alrededores de la extremidad inferior, una entrada combinada 405 pero que puede separarse:
- para el agua;
- para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno; y
- para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono; y
en los alrededores de la extremidad superior:
- una salida 125 para el metano sintético o el gas rico en metano; y
- al menos una salida primaria 130 para el agua;
- un material de sustrato 135 para formar un lecho de flora metanogénica, que tiene una densidad inferior a la densidad del agua, móvil en traslación a lo largo del eje longitudinal 101 de la cámara, y que se configura para recibir la flora metanogénica; y
- entre el material de sustrato por una parte y la salida de metano y la salida de agua por otra parte, una superficie perforada 140 para retener el material de sustrato, que forma un tope para el movimiento longitudinal del material de sustrato en la posición de dicha superficie.
En esta modalidad particular, el reactor 500 comprende al menos dos salidas de agua primarias 130 y, para cada salida, una bomba 150; cada salida puede equiparse, o no, con un intercambiador de calor 155.
En esta modalidad particular, el reactor 500 comprende, aguas arriba de la entrada 405, combinado, pero posiblemente separado, para el agua, el dihidrógeno y el dióxido de carbono, un medio 505 para disolver el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono y el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno, en agua.
Dichos medios de disolución 505 son, por ejemplo, una columna de empaque, una columna de pulverización, una columna de burbujas o cualquier otro dispositivo de disolución con el fin de disolver un gas en un líquido.
Dichos medios de disolución 505 pueden ser común tanto a una alimentación de dióxido de carbono como a una alimentación de dihidrógeno, dichas alimentaciones se combinan opcionalmente.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 5, el reactor 500 comprende un medio de disolución 505 separado para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono, por una parte, y para el dihidrógeno o el gas rico en dihidrógeno por otra parte.
El agua recirculada se inyecta, al menos en parte, en los medios de disolución 505, si el reactor 500 comprende sólo uno de estos medios de disolución 505. La provisión de agua recirculada por los medios de disolución 505 depende, por ejemplo, del nivel de agua detectado en los medios de disolución 505 o del régimen de flujo de gas que entra en dichos medios de disolución 505.
Si el reactor 500 comprende unos medios de disolución 505 y 510 separados para cada gas, cada medio de disolución 505 y 510 puede alimentarse por agua recirculada que procede de la misma salida de agua primaria 130 o de una salida primaria individual 130, el agua recirculada se distribuye entre los medios de disolución 505 y 510 y, opcionalmente, una tubería para la inyección directa en la cámara, con derivación de cada medio de disolución.
En algunas modalidades, tal como la que se muestra en la Figura 5, el reactor 500 comprende dos salidas de agua primarias 130 y, para cada salida 130, una bomba 150 y un intercambiador de calor 155. El agua recirculada por una primera bomba 150 se inyecta o en un primer medio 505 para disolver el dióxido de carbono en agua, o directamente en la cámara 105. El agua recirculada por una segunda bomba 150 se inyecta o en un segundo medio 510 para disolver el dihidrógeno en agua, o directamente en la cámara 105.
En algunas modalidades, el régimen de flujo de recirculación de agua hacia cada medio de disolución se controla independientemente. Cada régimen de flujo se controla, por ejemplo, en dependencia del régimen de flujo de gas que entra en los medios de disolución 505 y 510.
La Figura 6 muestra, en particular, una modalidad particular del reactor 200 que es idéntico al reactor 100 como se describió con referencia a la Figura 1 y que además comprende una derivación 205 y/o 210 y/o 215 de al menos un elemento de entre: un intercambiador de calor 155 y/o un medio de disolución 505 o 510.
La Figura 5 también muestra que la salida de evacuación de agua 131 y la salida de agua primaria 110 son diferentes.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Reactor de metanación biológica (100, 200, 400, 500) de hidrógeno o de gas rico en hidrógeno, y de dióxido de carbono o de gas rico en dióxido de carbono, caracterizado porque comprende:
- una cámara (105) que tiene una extremidad longitudinal (106), que se denomina "inferior", y una extremidad longitudinal opuesta (107), que se denomina "superior", dicha cámara que comprende, en los alrededores de la extremidad inferior:
- una entrada primaria (110, 405) para el agua,
- una entrada (115, 405) para el hidrógeno o el gas rico en hidrógeno, y
- una entrada (120, 405) para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono; y
en los alrededores de la extremidad superior:
- una salida (125) para el metano sintético o un gas rico en metano sintético, y
- una salida primaria (130) para el agua;
- un material de sustrato (135) para formar un lecho de flora metanogénica, que tiene una densidad inferior a la densidad del agua, móvil en traslación a lo largo del eje longitudinal (101) de la cámara, y que se configura para recibir la flora metanogénica; y
- entre el material de sustrato por una parte y la salida de metano y la salida de agua por otra parte, una superficie perforada (140) para retener el material de sustrato, que forma un tope para el movimiento longitudinal del material de sustrato en la posición de dicha superficie.
2. Reactor (100, 200, 400, 500) de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un rebosadero de recogida de agua (145) que se posiciona aguas arriba de la salida de metano (125) y de la salida de agua (130) y aguas abajo de la superficie de retención (140) a lo largo el eje (101) de movimiento longitudinal del material de sustrato (135) en la cámara (105), que se orienta hacia la extremidad superior (106) de la cámara, lo que forma un colector para el agua que pasa sobre el rebosadero (145), la salida primaria de agua (130) se posiciona en este colector.
3. Reactor (100, 200, 400, 500) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende:
- al menos una bomba (150) para recircular el agua que pasa a través de la salida de agua (130) de la cámara (105); y
- al menos un intercambiador de calor (155) que se configura para calentar o enfriar el agua que sale de la cámara;
El agua recirculada, en la salida del intercambiador de calor, se reinyecta al menos parcialmente en la cámara a través de una tubería de inyección (160).
4. Reactor (400, 500) de acuerdo con la reivindicación 3, en donde el agua recirculada se inyecta en un flujo que comprende al menos hidrógeno y/o dióxido de carbono, aguas arriba de la entrada de hidrógeno (405) y/o la entrada de dióxido de carbono (405) en la cámara.
5. Reactor (100, 200, 400, 500) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la cámara (105) comprende una entrada (165) para nutrientes y/o reactivos adicionales y/o agua.
6. Reactor (400, 500) de acuerdo con la reivindicación 5 y una de las reivindicaciones 3 o 4, en donde los nutrientes y/o reactivos adicionales se inyectan en la tubería para inyectar agua recirculada.
7. Reactor (100, 200, 400, 500) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, que comprende, una entrada de agua secundaria (170) en los alrededores de la extremidad superior (106) de la cámara (105), y una salida de recuperación de agua secundaria (175) en los alrededores de la extremidad inferior (107) de la cámara.
8. Reactor (100, 200, 400, 500) de acuerdo con la reivindicación 7, que comprende una unidad de control (180) que se configura para controlar la activación de un modo de operación del reactor de entre al menos dos, en donde: - en un modo activo:
- la entrada de agua secundaria (170) y la salida de recuperación de agua secundaria (175) se desactivan, y
- la entrada de agua primaria (110), la entrada de hidrógeno (115), la entrada de dióxido de carbono (120) y la salida de agua primaria (130) se activan; y
- en un modo de limpieza:
- la entrada de agua primaria (110), la entrada de hidrógeno (115), la entrada de dióxido de carbono (120) y la salida de agua primaria (130) se desactivan; y
- la entrada de agua secundaria (170) y la salida de recuperación de agua secundaria (175) se activan.
9. Reactor (100, 200, 400, 500) de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende un medio (185) para medir la pérdida de carga entre la entrada y la salida del reactor, representativa de la pérdida de carga en el lecho de sustrato, un cambio en el modo de operación se controla como una función de la pérdida de carga que se mide.
10. Reactor (400, 500) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la entrada para el hidrógeno o el gas rico en hidrógeno, la entrada para el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono y la entrada de agua primaria son una y la misma (405).
11. Reactor (200, 500) de acuerdo con la reivindicación 10, que comprende aguas arriba de la entrada combinada (405) para el agua, el hidrógeno y el dióxido de carbono, un medio (505) para disolver el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono y el hidrógeno o el gas rico en hidrógeno en agua.
12. Reactor (200, 500) de acuerdo con la reivindicación 11 y la reivindicación 3, en donde al menos una parte del agua recirculada se inyecta en los medios de disolución (505).
13. Reactor (200, 500) de acuerdo con la reivindicación 12, que comprende un medio (505) para disolver el dióxido de carbono o el gas rico en dióxido de carbono en agua por una parte y un medio (510) para disolver el hidrógeno o el gas rico en hidrógeno en agua por otra parte, cada medio de disolución se suministra con agua por medio del agua recirculada, el régimen de flujo de recirculación de agua a cada medio de disolución se controla independientemente.
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