ES2939817T3 - Sistema y proceso para la producción de biocombustible - Google Patents
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Abstract
La presente divulgación se refiere a un sistema y un proceso para producir biocombustible. El sistema comprende al menos un tanque de alimentación; una bomba de baja presión; una bomba de alta presión; un primer intercambiador de calor; un segundo intercambiador de calor; un recipiente de reacción; un recipiente de precipitación; una primera estación de descenso de presión; un tercer intercambiador de calor; una segunda estación de descenso de presión; un separador de gas-líquido; y un separador de biocombustible. El proceso comprende presurizar y calentar una alimentación, seguido de reformar la alimentación presurizada y calentada para obtener una suspensión. Los sólidos se separan del lodo por precipitación para obtener una mezcla compuesta por biocombustible y la alimentación no reformada. Luego, la mezcla se enfría y se despresuriza, seguido de la separación de los gases 0 y la alimentación no reformada para obtener el biocombustible. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema y proceso para la producción de biocombustible
Campo
La presente divulgación se refiere a un sistema y un proceso para producir biocombustible.
Definiciones
Como se usa en la presente divulgación, los siguientes términos tienen, en general, el significado que se establece a continuación, excepto en la medida en que el contexto en el que se usan indique lo contrario.
Conformación: el término "conformación" se refiere a una técnica de procesamiento mediante la que se reorganiza la estructura molecular de un hidrocarburo para alterar sus propiedades.
Aspen HYSYS: "Aspen HYSYS" es un software de simulación de procesos que usan los productores de petróleo y gas, refinerías y empresas de ingeniería para la optimización de procesos en diseño y operaciones.
UNICAC: también conocido como "UNIversal QUAsiChemical" es un modelo de coeficiente de actividad usado en la descripción de los equilibrios de fase.
Antecedentes
Existe una creciente demanda de fuentes de energía renovable como alternativa a los combustibles fósiles usados tradicionalmente. Los biocombustibles, producidos a través de procesos biológicos, tales como la agricultura y la digestión anaeróbica, en lugar de un combustible producido por procesos geológicos, pueden usarse como una alternativa a los combustibles fósiles. Actualmente, los biocombustibles se producen a partir de diversas fuentes, tales como, algas, materia orgánica que contiene celulosa, plantas, hongos, y similares.
El documento US 2015 0126758 A1 describe un sistema y un proceso para la separación limpia de biocrudos y subproductos de agua de mezclas de productos de licuefacción hidrotermal de materias primas orgánicas y que contienen biomasa a temperaturas y presiones elevadas. Los sólidos de compuestos inorgánicos se eliminan antes de la separación del biocrudo y las fracciones de subproductos de agua para minimizar la formación de emulsiones que, según se dice, impiden la separación.
El documento US 6.051.145 describe un proceso hidrotérmico que se integra en una instalación de tratamiento de aguas residuales para oxidar completamente un sedimento de aguas residuales sin digerir producido por la instalación de tratamiento.
El documento EP 1315 784 A describe un proceso para producir continuamente una biomasa de pulpa. El proceso comprende someter una pienso que contiene biomasa a una presión de 100-250 bar y, posterior o simultáneamente, mantener el pienso presurizado a una temperatura que no supere los 280 °C durante un período de hasta 60 minutos, para obtener una pulpa.
El documento WO 2015/132923 A1 describe un aparato de gasificación que calienta y presuriza un pienso de gasificación para convertir el mismo en un estado supercrítico y somete al pienso de gasificación a un proceso de degradación para obtener un gas combustible.
El documento US 2015 0148553 A1 describe un proceso que usa un hidrocarburo, un hidrocarburo oxigenado o un copienso de gas de síntesis, y agua caliente presurizado para convertir la biomasa de una manera comúnmente conocida como licuefacción hidrotermal.
Sin embargo, existen diversos problemas sociales, económicos, ambientales y técnicos con la producción y el uso de biocombustibles, incluido el efecto de la moderación de los precios del petróleo, el debate "comida vs combustible", la potencial de reducción de la pobreza, los niveles de emisiones de carbono, la producción sostenible de biocombustibles, la deforestación y erosión del suelo, la pérdida de biodiversidad, el impacto en los recursos hídricos, así como el balance y la eficiencia energética. Por lo tanto, existe la necesidad de utilizar una fuente y un proceso alternativos para la producción de biocombustibles.
Objetos
Algunos de los objetos de la presente divulgación, que al menos una realización en el presente documento satisface, son los siguientes:
un objeto de la presente divulgación es mejorar uno o más problemas de la técnica anterior o al menos proporcionar una alternativa útil.
Un objeto de la presente divulgación es proporcionar un sistema para la producción de biocombustible.
Otro objeto de la presente divulgación es proporcionar un proceso para la producción de biocombustible.
Todavía otro objeto de la presente divulgación es producir biocombustible usando un material de partida económico y fácilmente disponible.
Otros objetos y ventajas de la presente divulgación serán más evidentes a partir de la siguiente descripción, que no pretende limitar el alcance de la presente divulgación.
Sumario
La presente divulgación se refiere a un sistema (100) para producir biocombustible. El sistema comprende al menos un tanque de pienso (101) adaptado para recibir y almacenar un pienso; una bomba de baja presión (102); una bomba de alta presión (103); un primer intercambiador de calor (104); un segundo intercambiador de calor (105); un recipiente de reacción (106); un recipiente de precipitación (107); una primera estación de descenso de presión (108); un tercer intercambiador de calor (109); una segunda estación de descenso de presión (110); un separador gas-liquido (111); y un separador de biocombustible (112).
La bomba de baja presión (102) está adaptada para presurizar el pienso recibido desde el al menos un tanque de pienso (101) para obtener un primer pienso presurizado que tenga una presión de hasta 100 bares. Al menos una parte del primer pienso presurizado (a) se hace recircular de vuelta hacia el al menos un tanque de pienso (101). La bomba de alta presión (103) está adaptada para recibir la parte restante del primer pienso presurizado desde la bomba de baja presión (102) y aumentar la presión del primer pienso presurizado hasta 250 bar para obtener un segundo pienso presurizado. El primer intercambiador de calor (104) está adaptado para recibir el segundo pienso presurizado desde la bomba de alta presión (103) y precalentar el segundo pienso presurizado a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 290 °C para obtener un pienso precalentado. El segundo intercambiador de calor (105) está adaptado para recibir el pienso precalentado desde el primer intercambiador de calor (104) y calentar adicionalmente el pienso precalentado a una temperatura en el intervalo de 291 °C a 400 °C para obtener un pienso calentado. El recipiente de reacción (106) está adaptado para recibir el pienso calentado desde el segundo intercambiador de calor (105) y conformar el pienso calentado durante un período de tiempo en el intervalo de 10 minutos a 60 minutos para obtener una suspensión que comprenda sólidos, biocombustible y fluido no conformado. El recipiente de precipitación (107) está adaptado para recibir la suspensión desde el recipiente de reacción (106) y separar los sólidos (b) de la suspensión para obtener una mezcla líquida compuesta por biocombustible y pienso no conformado a una temperatura mayor que 300 °C. La mezcla líquida del recipiente de precipitación (107) se hace recircular hacia el primer intercambiador de calor (104) para precalentar el segundo pienso presurizado, enfriando de este modo la mezcla líquida a una temperatura por debajo de 300 °C para obtener una mezcla líquida enfriada intermedia. La mezcla líquida enfriada intermedia se introduce en la primera estación de descenso de presión (108) adaptada para reducir la presión de la mezcla líquida enfriada intermedia recibida desde el primer intercambiador de calor (104) en el intervalo de 5 bar a 20 bar para obtener una mezcla líquida despresurizada. El tercer intercambiador de calor (109) está adaptado para recibir la mezcla líquida despresurizada y reducir la temperatura de la mezcla líquida despresurizada en el intervalo de 30 °C a 100 °C, para obtener una mezcla enfriada. La segunda estación de descenso de presión (110) está adaptada para recibir y reducir la presión de la mezcla líquida enfriada por debajo de 5 bar, y obtener una mezcla gaslíquido que comprenda gases y una mezcla que comprenda biocombustible y pienso no conformado. El separador de gas-líquido (111) está adaptado para recibir la mezcla gas-líquido desde la segunda estación de descenso de presión (110) y separar los gases (111A) de la mezcla gas-líquido para obtener una mezcla (111B) que comprenda biocombustible y pienso no conformado. El separador de biocombustibles (112) está adaptado para recibir la mezcla (111B) compuesta por biocombustible y piensos no conformado, desde el separador de gas-líquido (111) y separar el pienso no conformado (112B) de la mezcla para obtener el biocombustible (112A).
La presente divulgación proporciona además un proceso para producir el biocombustible. El proceso comprende recoger el pienso y presurizar hasta 100 bar para obtener un primer pienso presurizado. Una parte del primer pienso presurizado se hace recircular de vuelta al tanque de pienso. La parte restante del primer pienso presurizado se presuriza hasta 250 bar para obtener un segundo pienso presurizado. El segundo pienso presurizado se calienta a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 400 °C, seguido de la conformación del pienso presurizado y calentado para obtener una suspensión que comprende sólidos, biocombustible y pienso no conformado. Los sólidos se separan por precipitación para obtener una mezcla líquida compuesta por biocombustible y pienso no conformado. La mezcla líquida se hace recircular hacia el primer intercambiador de calor para precalentar el fluido presurizado, dando como resultado el enfriamiento de la mezcla líquida. La mezcla líquida enfriada intermedia se despresuriza a continuación en la primera estación de descenso de presión para obtener un líquido despresurizado que tenga una presión en el intervalo de 5 bar a 20 bar. La temperatura del líquido despresurizado se reduce adicionalmente a una temperatura en el intervalo de 30 °C a 100 °C para obtener una mezcla enfriada. La presión de la mezcla enfriada se reduce nuevamente por debajo de 5 bares para obtener una mezcla gas-líquido. Los gases y el pienso no conformado se separan de la mezcla gas-líquido para obtener el biocombustible. Habitualmente, el pienso se selecciona del grupo formado por biomasa, sedimentos y aguas residuales.
Breve descripción del dibujo adjunto
La presente divulgación se describirá ahora con la ayuda del dibujo adjunto, en el que:
la figura 1 ilustra un diagrama de bloques de un sistema (100) para producir biocombustible de acuerdo con la presente divulgación.
Descripción detallada
Los combustibles convencionales, tales como, el carbón y el petróleo se usan actualmente para satisfacer las necesidades energéticas mundiales. Sin embargo, estos combustibles no son renovables y, por lo tanto, se están agotando a un ritmo muy rápido. Por tanto, los combustibles alternativos que se obtienen a partir de recursos distintos del petróleo, tienen una gran demanda. Los biocombustibles, producidos a través de procesos biológicos, tales como la agricultura y la digestión anaeróbica, en lugar de un combustible producido por procesos geológicos, pueden usarse como una alternativa a los combustibles fósiles. Actualmente, los biocombustibles se producen a partir de diversas fuentes, tales como, algas, materia orgánica que contiene celulosa, plantas, hongos, y similares.
Sin embargo, existen diversos problemas sociales, económicos, ambientales y técnicos con la producción y el uso de biocombustibles, incluido el efecto de la moderación de los precios del petróleo, el debate "comida vs combustible", la potencial de reducción de la pobreza, los niveles de emisiones de carbono, la producción sostenible de biocombustibles, la deforestación y erosión del suelo, la pérdida de biodiversidad, el impacto en los recursos hídricos, las posibles modificaciones necesarias para hacer funcionar el motor con biocombustible, así como el balance y la eficiencia energética. Por lo tanto, existe la necesidad de una fuente alternativa a las fuentes de biocombustibles usadas convencionalmente.
Adicionalmente, se producen diariamente una enorme cantidad de productos domésticos, industriales, desechos agrícolas. El procesamiento/eliminación de la enorme cantidad de estos desechos es muy costoso y también puede tener efectos perjudiciales para el medio ambiente. También, las plantas de tratamiento de aguas residuales producen diariamente grandes cantidades de sedimentos. La normativa medioambiental y los problemas de salud pública han hecho necesario encontrar nuevas técnicas para la gestión de las aguas residuales y los sedimentos. Los sedimentos/aguas residuales contienen una parte significativa de lípidos, que pueden usarse para obtener biocombustibles. El uso de sedimentos/aguas residuales para la producción de biocombustibles se fomenta por preocupaciones tanto económicas como ambientales, incluida la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero, la mejora del suministro de combustible y el mantenimiento de la economía rural.
La presente divulgación prevé un sistema y un proceso para producir biocombustible a partir de material de partida (pienso) económico y fácilmente disponible, tal como, suspensión de biomasa, sedimentos, aguas residuales, y similares.
La presente divulgación en un aspecto de proporciona un sistema (100) para producir biocombustible. El sistema (100) como se ilustra en figura-1 comprende lo siguiente:
• al menos un tanque de pienso (101) adaptado para recibir y almacenar un pienso;
• una bomba de baja presión (102) adaptada para:
- presurizar el pienso hasta 100 bar para obtener un primer pienso presurizado; y
- hacer recircular al menos una parte (a) del primer pienso presurizado recibido desde la bomba de baja presión (102) de vuelta hacia el al menos un tanque de pienso (101);
• una bomba de alta presión (103) adaptada para:
- recibir la parte restante del primer pienso presurizado desde la bomba de baja presión (102); y
- aumentar la presión del primer pienso presurizado hasta 250 bar para obtener un segundo pienso presurizado;
• un primer intercambiador de calor (104) adaptado para:
- recibir el segundo pienso presurizado desde la bomba de alta presión (103); y
- precalentar el segundo pienso presurizado a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 290 °C para obtener un pienso precalentado;
• un segundo intercambiador de calor (105) adaptado para:
- recibir el pienso precalentado desde el primer intercambiador de calor (104); y
- calentar adicionalmente el pienso precalentado a una temperatura en el intervalo de 291 °C a 400 °C para obtener un pienso calentado;
• un recipiente de reacción (106) adaptado para:
- recibir el pienso calentado desde el segundo intercambiador de calor (105); y
- conformar el pienso calentado durante un período de tiempo en el intervalo de 10 minutos a 60 minutos para obtener una suspensión que comprenda sólidos, biocombustible y pienso no conformado;
• un recipiente de precipitación (107) adaptado para:
- recibir la suspensión desde el recipiente de reacción (106); y
- separar los sólidos (b) de la suspensión para obtener una mezcla líquida compuesta por biocombustible y pienso no conformado a una temperatura mayor que 300 °C,
en donde la mezcla líquida del recipiente de precipitación se hace recircular hacia el primer intercambiador de calor (104) para precalentar el segundo pienso presurizado, enfriando de este modo la mezcla líquida a una temperatura por debajo de 300 °C para obtener una mezcla líquida enfriada intermedia;
• una primera estación de descenso de presión (108) adaptada para:
- recibir la mezcla líquida enfriada intermedia desde el primer intercambiador de calor (104); y
- reducir la presión de la mezcla líquida enfriada intermedia en el intervalo de 5 bar a 20 bar para obtener una mezcla líquida despresurizada;
• un tercer intercambiador de calor (109) adaptado para:
- recibir la mezcla líquida despresurizada desde la primera estación de descenso de presión (108); y
- reducir la temperatura de la mezcla líquida despresurizada a una temperatura en el intervalo de 30 °C a 100 °C para obtener una mezcla líquida enfriada;
• una segunda estación de descenso de presión (110) adaptada para:
- recibir la mezcla líquida enfriada del tercer intercambiador de calor (109); y
- reducir la presión de la mezcla líquida enfriada por debajo de 5 bar, para obtener una mezcla gas-líquido que comprenda gases y una mezcla que comprenda biocombustible y pienso no conformado;
• un separador de gas-líquido (111) adaptado para:
- recibir la mezcla gas-líquido desde la segunda estación de descenso de presión (110); y
- separar los gases (111A) de la mezcla gas-líquido para obtener la mezcla (111B) que comprende biocombustible y pienso no conformado; y
• un separador de biocombustible (112) adaptado para:
- recibir la mezcla que comprende biocombustible y pienso no conformado, desde el separador de gas-líquido (111); y
- separar el pienso no conformado (112B) de dicha mezcla para obtener el biocombustible (112A).
El al menos un tanque de pienso (101) comprende al menos un agitador, un controlador de nivel y al menos un respiradero atmosférico.
El sistema comprende además un tanque de proceso (115). El tanque de proceso está adaptado para recibir, almacenar y hacer circular un pienso en el al menos un tanque de pienso (101). El pienso se selecciona del grupo formado por suspensión de biomasa, sedimentos y aguas residuales.
En una realización de la presente divulgación, el recipiente de precipitación (107) comprende al menos un filtro. En una realización, el filtro es un filtro tipo vela sinterizada.
El primer intercambiador de calor (104), el segundo intercambiador de calor (105) y el tercer intercambiador de calor (109) pueden ser un intercambiador de calor de carcasa o un intercambiador de calor de tubos. En una realización, el tercer intercambiador de calor (109) es un enfriador de aire.
El intercambiador de calor de carcasa y el intercambiador de calor de tubos es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en intercambiador de calor tipo horquilla, intercambiador de calor tipo hoyuelo-tubo, intercambiador de calor tipo tubo corrugado e intercambiador de calor tipo tubo torcido. Habitualmente, se permite que el segundo pienso presurizado y el pienso precalentado pasen a través de una pluralidad de tubos del primer intercambiador de calor (104) y el segundo intercambiador de calor (105), respectivamente. La temperatura del pienso que se introduce en el lado de la carcasa del calentador de pienso puede monitorizarse por un transmisor de temperatura, que está provisto de una alarma de alta temperatura para alertar al operario y evitar el sobrecalentamiento del sistema de fluido caliente.
El recipiente de reacción (106) es al menos uno seleccionado de un reactor de flujo pistón (PFR), un reactor de tanque agitado continuo (CSTR) o combinaciones de los mismos. El proceso puede llevarse a cabo de manera independiente o una combinación de CSTR y PFR, ya sea en serie o en paralelo.
El sistema de la presente divulgación comprende además un tanque de almacenamiento de pienso no conformado (114) y un tanque de almacenamiento de biocombustible (113). El tanque de almacenamiento de fluido no conformado (114) está adaptado para recibir el pienso no conformado desde el separador de biocombustible (112) y almacenar el pienso no conformado en el mismo. El tanque de almacenamiento de biocombustibles (113) está adaptado para recibir el biocombustible desde el separador de biocombustible (112) y almacenar el biocombustible en el mismo.
La presente divulgación en otro aspecto proporciona un proceso para producir biocombustible a partir de un pienso. Habitualmente, el pienso puede seleccionarse del grupo que consiste en biomasa, sedimentos y aguas residuales. La cantidad de biomasa en la suspensión de biomasa está en el intervalo de 0,1 % en peso a 40 % en peso. La biomasa puede ser una biomasa de algas o una biomasa que no sea de algas. La biomasa que no sea de algas puede seleccionarse del grupo formado por madera, bagazo en etanol/agua y licor negro/etanol, almidón, paja de arroz, estiércol de vaca, esqueletos de cerdo, proteína de soja, y similares. Habitualmente, las algas pueden seleccionarse del grupo que consiste en Nanocloropsis, Espirulina, Clorella, Dunaliella tertiolecta, Desmodesmo y algas filamentosas verdeazuladas.
El proceso se describe a continuación en detalle.
Inicialmente, el pienso se recoge en el tanque de pienso. El pienso se presuriza hasta 100 bar para obtener un primer pienso presurizado. Una parte del primer pienso presurizado se hace recircular de vuelta al tanque de pienso usando la bomba de baja presión.
Habitualmente, la bomba de baja presión se usa para presurizar el pienso y hacer recircular una parte del pienso presurizado en el tanque de pienso. Puede proporcionarse una alarma de nivel alto y nivel bajo en el tanque de pienso para alertar al operario. El mezclador del tanque de pienso tiene un dispositivo de frecuencia variable (VFD) que permite el ajuste de la velocidad. También está provisto de un tanque de agua de proceso separado con disposiciones similares a las del tanque de pienso, excepto por un mezclador. En el arranque del sistema, el agua de proceso será alimentada al sistema, hasta que se cumplan las condiciones de estado estacionario a la temperatura y presión del proceso. Una vez que el sistema está completamente estable, el agua de proceso se transfiere al pienso. El tanque de agua de proceso también puede usarse para lavar el sistema durante el apagado.
La parte restante del primer pienso presurizado se introduce en la bomba de alta presión y la presión del primer pienso presurizado se aumenta hasta 250 bar usando la bomba de alta presión para obtener un segundo pienso presurizado.
El segundo pienso presurizado se introduce en el primer intercambiador de calor para precalentar el segundo pienso presurizado a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 290 °C para obtener un pienso precalentado.
El pienso precalentado se introduce a continuación en el segundo intercambiador de calor para calentar adicionalmente el pienso precalentado a una temperatura en el intervalo de 291 °C a 400 °C para obtener un pienso calentado.
El pienso calentado de dicho segundo intercambiador de calor se introduce en el recipiente de reacción, donde se conforma durante un período de tiempo en el intervalo de 10 minutos a 60 minutos para obtener una suspensión que comprende sólidos, biocombustible y fluido no conformado. En una realización, el caudal de pienso está en el intervalo de 1 cm3/s a 2 cm3/s. Sin embargo, el caudal de pienso puede variarse de acuerdo con los requisitos del proceso.
En el recipiente de reacción, el pienso se somete a un proceso de conformación termoquímica a alta temperatura y presión, donde alrededor del 10 % al 90 % de los sólidos presentes en el pienso se descomponen en hidrocarburos de cadena corta. El agua subcrítica puede actuar como medio para la reacción. Los reactores proporcionan el tiempo de residencia necesario de 10 minutos a 60 minutos a la temperatura y presión de reacción, mientras se mantiene el pienso a una velocidad suficiente para minimizar la sedimentación de partículas. El recipiente de reacción se aísla y calienta eléctricamente para mantener la temperatura del proceso.
La suspensión del recipiente de reacción se introduce en el recipiente de precipitación, donde los sólidos se separan de la suspensión para obtener una mezcla líquida que comprenda biocombustible y pienso no conformado, con una temperatura mayor que 300 °C. La mezcla líquida del recipiente de precipitación se hace recircular hacia el primer intercambiador de calor para precalentar el segundo pienso presurizado, enfriando de este modo la mezcla líquida a una temperatura por debajo de 300 °C para obtener una mezcla líquida enfriada intermedia.
La suspensión del recipiente de reactor, que comprende principalmente líquido (biocombustible crudo y mezcla de agua), gas y sólidos se introduce en el recipiente de precipitación, donde se precipitan los sólidos. Además se pasan a través de filtros de presión. Los filtros de presión pueden ser del tipo vela sinterizada. Los productos sólidos,
principalmente sales inorgánicas, que precipitan, se retienen en el proceso de filtración. El sistema de la presente divulgación facilita la eliminación de productos sólidos sin perturbar la operación de estado estacionario. Los sólidos se eliminan de los filtros periódicamente aplicando presión diferencial inversa. Las lecturas de presión diferencial entre las corrientes de entrada y salida de los filtros indican la caída de presión en los filtros. Los sólidos se hunden hasta el fondo del filtro y los productos líquidos pasan a través del filtro para un procesamiento adicional en las unidades de separación. La secuencia de limpieza de los filtros puede basarse en un temporizador o puede iniciarse manualmente basándose en la presión diferencial. El recipiente de precipitación y los filtros se aíslan y calientan eléctricamente para mantener la temperatura del proceso.
La mezcla líquida enfriada intermedia se introduce a continuación en la primera estación de descenso de presión donde la presión de la mezcla líquida enfriada intermedia se reduce para estar en el intervalo de 5 bar a 20 bar para obtener una mezcla líquida despresurizada.
La temperatura de la mezcla líquida despresurizada se reduce adicionalmente en el intervalo de 30 °C a 100 °C usando un tercer intercambiador de calor, para obtener una mezcla líquida enfriada. La presión de la mezcla líquida enfriada se reduce en la segunda estación de descenso de presión por debajo de 5 bar, para obtener una mezcla gas-líquido que comprenda gases y una mezcla que comprenda biocombustible y pienso no conformado.
La mezcla gas-líquido procedente de dicha segunda estación de descenso de presión se introduce en el separador de gas-líquido para separar los gases de dicha mezcla gas-líquido, para obtener una mezcla. La mezcla del separador de gas-líquido se introduce en el separador de biocombustible para separar el pienso no conformado de la mezcla para obtener el biocombustible. El biocombustible y el separador de pienso no conformado pueden ser de tipo presa o tipo bota.
El biocombustible se almacena en un tanque de almacenamiento de biocombustible, con la presión controlada por una válvula de control en la línea de ventilación. Se proporciona un manto de nitrógeno desde el cilindro de purga de nitrógeno mediante la válvula de control en la línea de ventilación que mantiene la atmósfera inerte en el tanque de almacenamiento de biocombustible. El tanque se aísla y calienta para mantener una viscosidad bombeable en el biocombustible. El pienso no conformado se almacena en el tanque de almacenamiento no conformado a presión atmosférica.
En una realización, el proceso de la presente divulgación se lleva a cabo en presencia de un catalizador homogéneo.
El sistema y el proceso de la presente divulgación son capaces de convertir pienso enriquecido en energía, en una forma fácilmente utilizable. El sistema de presurización de dos etapas usado aumenta la presión de una manera de estado estacionario. La bomba de primera etapa protege la bomba de alta presión y proporciona circulación al tanque de pienso. El sistema comprende un sistema de integración de calor en donde el intercambiador de recuperación de calor recupera el calor de la corriente de producto antes de la separación y precalienta el pienso y, por lo tanto, reduce la carga de calor del calentador de pienso final durante la operación de estado estacionario. La estación de descenso de presión de dos etapas del sistema que comprende una válvula de descenso de presión intermedia facilita la caída de la presión del sistema sin vaporización y, por lo tanto, evita el flujo bifásico en el enfriador de aire. El flujo de dos fases en el enfriador de aire reduce el rendimiento del enfriador; por tanto, la presión de acuerdo con el proceso de la presente divulgación se reduce en dos etapas. La presente divulgación usa un material de partida económico y fácilmente disponible tal como biomasa, sedimentos y aguas residuales para la producción de biocombustibles, lo que hace que el proceso sea rentable y respetuoso con el medio ambiente.
La presente divulgación se describe adicionalmente a la luz de los siguientes experimentos a escala de laboratorio que se exponen únicamente con fines ilustrativos y no deben interpretarse como limitativos del alcance de la divulgación. Estos experimentos a escala de laboratorio pueden escalarse a escala industrial/comercial y los resultados obtenidos pueden extrapolarse a escala industrial/comercial.
Detalles experimentales
Experimento 1: Proceso de simulación para producir biocombustible de acuerdo con la presente divulgación
El concepto del proceso para producir biocombustible se realizó en el software ASPEN HYSYS. El paquete de fluidos usado para las simulaciones fue UNIQUAC.
El proceso se operó de manera independiente y continua. El proceso contenía los requisitos específicos de rendimiento operativo para la operación de la unidad en el sistema (100). El sistema (100) fue diseñado para producir 1 barril por día (bpd) de biocombustible en donde una pienso húmedo se convirtió en aceite crudo a temperaturas elevadas (300 °C a 400 °C) mientras la presión se mantuvo por encima de la presión de vapor del agua (209 bar, en el intervalo de temperatura mencionado anteriormente en el presente documento) para facilitar un medio de reacción de fase condensada, es decir, fase subcrítica del agua.
Una suspensión de algas a procesar se retuvo en un tanque de pienso agitado (101) en condiciones atmosféricas con
una capacidad de retención de 8 horas de operación. El rendimiento de diseño del proceso fue de 110 kg/h. La bomba de pienso de baja presión (102) presurizó la suspensión de algas a 4 bar. La descarga de la bomba se introdujo en la bomba de alta presión y había una disposición para reciclar una corriente de vuelta al tanque de pienso. Una bomba de alta presión (103) presurizó la suspensión a 209 bar antes de calentarla a 350 °C a través de una serie de intercambiadores de calor (104, 105). El primer intercambiador de calor (104) precalentó la suspensión a una temperatura de 290 °C y posteriormente el segundo intercambiador de calor (105) elevó la temperatura a 350 °C. La suspensión presurizada y calentada fluyó hacia el reactor de flujo pistón (PFR) en el recipiente de reacción (106). El PFR se diseñó basándose en el criterio de velocidad de suspensión de 2 cm/s. Las conversiones se muestran en la Tabla 1.
T l 1: P r n nv r i n
La Tabla-1 ilustra que la tasa de conversión que usa el sistema de la presente divulgación es alta.
El producto líquido del recipiente de reacción (106) entró a continuación en el recipiente de precipitación (107). Los insolubles, especialmente los sulfatos, los fosfatos y la arena/polvo precipitaron en el recipiente de precipitación (107). Se proporcionaron dos filtros sinterizados separados corriente abajo del recipiente de precipitación (107) con un filtro en operación y el otro en espera. La cantidad de sólido separado fue de 13,36 kg/h. Se proporcionó un suministro de retrolavado con nitrógeno para limpiar los elementos del filtro. A continuación, la corriente licuada se dirigió a la separación de aceite crudo a través del intercambiador de recuperación de calor (104) donde la temperatura del proceso cayó a 100 °C. La corriente de producto líquido se evaporó a 10 bar usando la primera estación de descenso de presión (108). La corriente caliente se enfrió a 80 °C a través de un enfriador de aire (109). A continuación, la corriente enfriada se evaporó a 0,52 bar usando la segunda etapa de descenso de presión (110) y, a continuación, pasó a través de un separador de líquido/gas (111) y el gas no condensable se envió al cabezal de ventilación de gas. El separador de biocombustible/agua (112) eliminó el producto de biocombustible del pienso no conformado. El biocombustible fue enviado a un tanque de almacenamiento de biocombustible (113). La cantidad de gases (111A), el biocombustible (112A) y el pienso no conformado (112B) generados se muestran en Tabla-2.
T l -2: B l n m n r l r l r
La presente divulgación proporciona un proceso simple, eficiente y estable para convertir diversos tipos de piensos en biocombustible. El proceso utiliza el calor del proceso para precalentar la materia prima y, por lo tanto, da como resultado una mejor recuperación de energía.
AVANCES TÉCNICOS Y SIGNIFICADO ECONÓMICO
La presente divulgación descrita anteriormente en el presente documento tiene varias ventajas técnicas que incluyen, aunque no están limitadas a, la realización de:
- alta tasa de conversión de la material de partida en biocombustible;
- conversión de diferentes tipos de material de partida en biocombustible;
- recuperación de energía eficiente a partir de la biomasa;
- uso del material de partida económico y fácilmente disponible y
- operación de sistema estable.
A lo largo de la presente memoria descriptiva, la palabra "comprenden" o variaciones tales como "comprende" o "que comprende", se entenderá que implica la inclusión de un elemento señalado, número entero o etapa o grupo de elementos, números enteros o etapas, pero no la exclusión de ningún otro elemento, número entero o etapa o grupo de elementos, números enteros o etapas.
El uso de la expresión "al menos" o "al menos uno" sugiere el uso de uno o más elementos o ingredientes o cantidades, como puede ser el uso en la realización de la invención para lograr uno o más de los objetos o resultados deseados. Si bien se han descrito ciertas realizaciones de las invenciones, estas realizaciones se han presentado únicamente a modo de ejemplo y no pretenden limitar el alcance de las invenciones. Variaciones o modificaciones a la formulación de la presente invención, dentro del alcance de la invención, pueden ocurrírseles a los expertos en la materia al revisar la divulgación del presente documento.
Los valores numéricos dados para diversos parámetros físicos, dimensiones y cantidades son solo valores aproximados y se prevé que los valores superiores al valor numérico asignado a los parámetros físicos, las dimensiones y cantidades caigan dentro del alcance de la invención a menos que haya una declaración contraria en la memoria descriptiva.
Si bien se ha puesto un énfasis considerable en el presente documento en las características específicas de la realización preferente, se apreciará que pueden añadirse muchas características adicionales y que pueden realizarse muchos cambios en la realización preferente sin alejarse del alcance de las reivindicaciones.
Estos y otros cambios en la realización preferente de la divulgación serán evidentes para los expertos en la materia a partir de la divulgación del presente documento, por lo que debe entenderse claramente que el asunto descriptivo anterior debe interpretarse simplemente como ilustrativo de la divulgación y no como una limitación.
Claims (12)
1. Un sistema (100) para producir biocombustible, comprendiendo dicho sistema:
• al menos un tanque de pienso (101) adaptado para recibir y almacenar un pienso;
• una bomba de baja presión (102) adaptada para:
- presurizar dicho pienso hasta 100 bar para obtener un primer pienso presurizado; y
- hacer recircular al menos una parte (a) de dicho primer pienso presurizado hacia y desde dicho al menos un tanque de pienso (101);
• una bomba de alta presión (103) adaptada para:
- recibir dicho primer pienso presurizado desde dicha bomba de baja presión (102); y
- aumentar la presión de dicho primer pienso presurizado hasta 250 bar para obtener un segundo pienso presurizado;
• un primer intercambiador de calor (104) adaptado para:
- recibir dicho segundo pienso presurizado desde dicha bomba de alta presión (103); y
- precalentar dicho segundo pienso presurizado a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 290 °C para obtener un pienso precalentado;
• un segundo intercambiador de calor (105) adaptado para:
- recibir dicho pienso precalentado desde dicho primer intercambiador de calor (104); y
- calentar adicionalmente dicho pienso precalentado a una temperatura en el intervalo de 291 °C a 400 °C para obtener un pienso calentado;
• un recipiente de reacción (106) adaptado para:
- recibir dicho pienso calentado desde dicho segundo intercambiador de calor (105); y
- conformar dicho pienso calentado durante un período de tiempo en el intervalo de 10 minutos a 60 minutos para obtener una suspensión que comprenda sólidos, biocombustible y pienso no conformado;
• un recipiente de precipitación (107) adaptado para:
- recibir dicha suspensión desde dicho recipiente de reacción (106); y
- separar los sólidos (b) de dicha suspensión para obtener una mezcla líquida que comprenda biocombustible y pienso no conformado que tenga una temperatura mayor que 300 °C,
en donde dicha mezcla líquida de dicho recipiente de precipitación (107) se hace recircular hacia dicho primer intercambiador de calor (104) para precalentar dicho segundo pienso presurizado, enfriando de este modo dicha mezcla líquida a una temperatura por debajo de 300 °C para obtener una mezcla líquida enfriada intermedia;
• una primera estación de descenso de presión (108), adaptada para:
- recibir dicha mezcla líquida enfriada intermedia desde dicho primer intercambiador de calor (104); y - reducir la presión de dicha mezcla líquida enfriada intermedia en el intervalo de 5 bar a 20 bar, para obtener una mezcla líquida despresurizada;
• un tercer intercambiador de calor (109) adaptado para:
- recibir dicha mezcla líquida despresurizada desde dicha primera estación de descenso de presión (108); y - reducir la temperatura de dicha mezcla líquida despresurizada a una temperatura en el intervalo de 30 °C a 100 °C para obtener una mezcla líquida enfriada que tenga una presión en el intervalo de 5 bar a 20 bar; • una segunda estación de descenso de presión (110) adaptada para
- recibir dicha mezcla líquida enfriada desde dicho tercer intercambiador de calor (109); y
- reducir la presión de dicha mezcla líquida enfriada por debajo de 5 bar, para obtener una mezcla gas-líquido que comprenda gases y una mezcla que comprenda biocombustible y pienso no conformado;
• un separador de gas-líquido (111) adaptado para:
- recibir dicha mezcla gas-líquido desde dicha segunda estación de descenso de presión (110); y
- separar los gases (111A) de dicha mezcla gas-líquido para obtener una mezcla (111B) que comprenda biocombustible y pienso no conformado; y
• un separador de biocombustible (112) adaptado para:
- recibir dicha mezcla que comprende biocombustible y pienso no conformado desde dicho separador de gaslíquido (111); y
- separar el pienso no conformado (112B) de dicha mezcla para obtener el biocombustible (112A).
2. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además un tanque de proceso (115), en donde dicho tanque de proceso (115) está adaptado para recibir, almacenar y hacer circular un pienso en dicho al menos un tanque de pienso, y en donde dicho pienso se selecciona del grupo que consiste en suspensión de biomasa, sedimentos y aguas residuales.
3. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho al menos un tanque de pienso (101) comprende al menos un agitador, un controlador de nivel y al menos un respiradero atmosférico.
4. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho recipiente de precipitación (107) comprende al menos un filtro.
5. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde dicho primer intercambiador de calor (104), dicho segundo intercambiador de calor (105) y dicho tercer intercambiador de calor (109) es un intercambiador de calor de carcasa y tubos.
6. El sistema de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el tipo de intercambiador de calor de carcasa y tubos es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en un intercambiador de calor tipo horquilla, intercambiador de calor tipo hoyuelo-tubo, intercambiador de calor tipo tubo corrugado e intercambiador de calor tipo tubo torcido.
7. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, dicho recipiente de reacción (106) es al menos uno de un reactor de flujo pistón (PFR) y un reactor de tanque agitado continuo (CSTR).
8. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:
• un tanque de almacenamiento de pienso no conformado (114) adaptado para recibir dicho pienso no conformado desde dicho separador de biocombustible (112) y para almacenar dicho pienso no conformado en el mismo; y • un tanque de almacenamiento de biocombustible (113) adaptado para recibir el biocombustible desde dicho separador de biocombustible (112) y para almacenar dicho biocombustible en el mismo.
9. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde se permite que dicho segundo pienso presurizado y dicho pienso precalentado pasen a través de una pluralidad de tubos de dicho primer intercambiador de calor y segundo intercambiador de calor, respectivamente.
10. El sistema de acuerdo con la reivindicación 1, en donde se permite que una corriente de fluido que tiene una temperatura por encima de 400 °C pase a través de la carcasa de dicho primer intercambiador de calor (104) y segundo intercambiador de calor (105) respectivamente, para calentar dicho segundo pienso presurizado y dicho pienso precalentado respectivamente.
11. Un proceso para producir biocombustible a partir de un pienso, que usa el sistema (100) de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde dicho proceso comprende las siguientes etapas:
a) recoger el pienso en al menos un tanque de pienso;
b) presurizar dicho pienso hasta 100 bar para obtener un primer fluido presurizado;
c) hacer recircular al menos una parte de dicho primer pienso presurizado en al menos un tanque de pienso; d) aumentar la presión de la parte restante de dicho primer pienso presurizado hasta 250 bar para obtener un segundo pienso presurizado;
e) precalentar dicho segundo pienso presurizado a una temperatura en el intervalo de 200 °C a 290 °C para obtener un pienso precalentado;
f) calentar adicionalmente dicho pienso precalentado a una temperatura en el intervalo de 291 °C a 400 °C para obtener un pienso calentado;
g) introducir dicho pienso calentado en un recipiente de reacción y conformar dicho pienso calentado durante un período de tiempo en el intervalo de 10 minutos a 60 minutos para obtener una suspensión que comprenda sólidos, biocombustible y pienso no conformado;
h) separar dichos sólidos de dicha suspensión para obtener una mezcla líquida que comprenda biocombustible y pienso no conformado que tenga una temperatura mayor que 300 °C, en donde dicha mezcla líquida se hace recircular para precalentar dicho segundo pienso presurizado, enfriando de este modo dicha mezcla líquida a una temperatura por debajo de 300 °C para obtener una mezcla líquida enfriada intermedia;
i) reducir la presión de dicha mezcla líquida enfriada intermedia en el intervalo de 5 bar a 20 bar para obtener una mezcla líquida despresurizada;
j) reducir la temperatura de dicho líquido despresurizado a una temperatura en el intervalo de 30 °C a 100 °C para obtener una mezcla líquida enfriada;
k) reducir la presión de dicha mezcla líquida enfriada por debajo de 5 bar, para obtener una mezcla gas-líquido que comprenda gases y una mezcla que comprenda biocombustible y pienso no conformado;
l) separar los gases de dicha mezcla gas-líquido para obtener una mezcla que comprenda biocombustible y pienso no conformado; y
m) separar el pienso no conformado de dicha mezcla para obtener el biocombustible.
12. El proceso de acuerdo con la reivindicación 11, en donde dicho pienso es al menos uno seleccionado del grupo que consiste en suspensión de biomasa, sedimentos y aguas residuales.
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