ES2952022T3 - Dispositivo de reacción con intercambiador de calor y su uso - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de reacción (1) con una primera pared (2) que define un interior (3) en el que se ubica un mecanismo de agitación (4). En la superficie de la primera pared exterior (2) alejada del interior (3) y/o en el mecanismo de agitación (4) está previsto al menos parcialmente un intercambiador de calor (5), presentando el intercambiador de calor (5) una estructura de rejilla. y están previstas al menos dos capas que presentan una estructura de rejilla. De este modo es posible transferir calor de forma precisa y eficiente principalmente mediante radiación térmica en procesos endotérmicos a diferentes niveles de temperatura, en particular procesos de pirólisis, gasificación y reformado, y utilizar con ello el calor de escape para otros procesos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de reacción con intercambiador de calor y su uso
La invención se refiere a un dispositivo de reacción con una pared exterior que define un espacio interior en el que se encuentra un agitador, presentando el dispositivo de reacción, además, un intercambiador de calor con una estructura de rejilla. Esto permite transportar calor de forma precisa y eficiente, principalmente mediante radiación térmica en procesos endotérmicos a diferentes niveles de temperatura, en particular pirólisis, gasificación y reformado, y aprovechar a este respecto el calor residual de otros procesos.
En la conversión térmica y termoquímica de biomasa y materias primas orgánicas similares, el calor se conduce al material que se ha de procesar a través de intercambiadores de calor.
Los ejemplos de aplicación son reactores de pirólisis, gasificación y reformado para la descomposición y conversión de biomasa o plásticos. Técnicamente, es difícil en parte en estos procesos conducir una gran cantidad de calor a veces de la manera más rápida y eficiente posible al material que se ha de procesar. Por razones ecológicas y económicas, es ventajoso a este respecto aprovechar el calor residual de la combustión de productos de conversión individuales. A menudo, esto es potencialmente suficiente para proporcionar la cantidad requerida de calor. Sin embargo, particularmente en el caso de reactores cilíndricos, no es posible conducir una cantidad suficientemente grande de calor desde el exterior al material que se ha de procesar a partir de gases de escape. Las razones de ello radican en la superficie de intercambio de calor relativamente pequeña y la capacidad calorífica generalmente baja de los gases. Aunque la superficie de intercambio de calor se puede aumentar mediante diseños especiales de intercambiadores de calor, como cuerpos con nervaduras, estas modificaciones siempre acarrean importantes pérdidas de presión. Por esta razón, a menudo no es posible la conexión consecutiva de varios intercambiadores de calor en cascada.
En cuanto al medio calefactor, el agua sería una alternativa con mayor capacidad calorífica como portador de calor, pero el uso de agua a temperaturas superiores a 100 °C con el mismo volumen está asociado a un fuerte aumento de presión. Esto restringe severamente su aplicación como portadora de calor o al menos lo hace más difícil y, por lo tanto, también afecta a los aspectos de seguridad de toda la instalación. Los portadores de calor líquidos a base de sal, por otro lado, presentan un punto de ebullición significativamente más alto, pero el punto de fusión suele estar muy por encima de 0 °C, por lo que podrían solidificarse en el intercambiador de calor cuando el sistema está parado.
Si se acepta el esfuerzo adicional en términos de equipo y seguridad en el uso de portadores de calor a presión, los gases calientes a presión también son adecuados, además del vapor de agua. La ventaja en este sentido radica en las pérdidas de presión significativamente menores en comparación con el uso de portadores de calor líquidos y en forma de vapor.
Para posibilitar el aporte de calor en los reactores de pirólisis y gasificación, hasta el momento se han utilizado diversas formas o combinaciones de las mismas:
Calentamiento indirecto desde el exterior, en particular eléctrico o basado en quemadores
Calentamiento indirecto desde el espacio interior, en particular a través del eje de tornillo o superficies helicoidales huecas; por ejemplo, intercambiadores de calor de tornillo hueco (entre otros, los documentos DE4412536, US2335422, US3909958, US4930484, DE3503069)
Contacto directo del medio calefactor con el producto de conversión a través de la entrada de un gas calentado (inerte) (por ejemplo, documento DE60104724)
Contacto directo del medio calefactor con el producto de conversión a través de partículas de intercambio de calor calentadas, como bolas, que se agregan al material que se ha de procesar (entre otros, documentos DE2345800, DE376791, DE508566, DE60104724, DE102009007176, US2877106, US4110193)
Para una transferencia de calor eficiente mediante radiación térmica, estos y otros conceptos se modifican parcialmente o se adaptan ligeramente. Los ejemplos son, entre otros, cuerpos de nervaduras anodizados negros o recubrimientos con pintura que emiten grandes cantidades de radiación en el rango infrarrojo.
En el documento de patente GB19310012139 de 1931 se describe un intercambiador de calor que utiliza una estructura en forma de red. El tejido mencionado en este documento es un tejido bidimensional que se convierte en un cuerpo tridimensional mediante flexión y plegado. El documento US 2009/229798 A1 describe un dispositivo de reacción de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.
Partiendo del estado de la técnica, la invención se basa, por lo tanto, en el objetivo de proporcionar un dispositivo de reacción con un intercambiador de calor con propiedades mejoradas.
De acuerdo con la invención, esto se consigue mediante un intercambiador de calor según la reivindicación 1 y su uso de acuerdo con la reivindicación 15.
De acuerdo con la invención, se propone un dispositivo de reacción con una primera pared que define un espacio
interior en el que se ubica un agitador, estando previsto un intercambiador de calor al menos parcialmente en la superficie de la primera pared orientada en sentido opuesto al espacio interior y/o en el agitador, presentando el intercambiador de calor la estructura de una rejilla y habiendo al menos dos capas que presentan la estructura de una rejilla.
Un dispositivo de reacción en el sentido de la presente invención es cualquier dispositivo en el que se pueda realizar una reacción. Ejemplos de tales dispositivos de reacción son reactores, en particular en forma de cilindro, por ejemplo, hornos tubulares. El término dispositivo de reacción puede designar un reactor, una sección del mismo, así como varios reactores, por ejemplo, de dos a cuatro, conectados entre sí.
En el dispositivo de reacción de acuerdo con la invención, el agitador presenta al menos parcialmente el intercambiador de calor. Para ello, el agitador puede tener palas de agitador huecas, estando previsto el intercambiador de calor en sus cavidades.
En una forma de realización, el dispositivo de reacción presenta una doble pared formada por una primera pared y una segunda pared, de modo que, entre la primera pared y la segunda pared, se forma un espacio intermedio en el que se encuentra el intercambiador de calor. De esta manera, el intercambiador de calor se puede instalar de una manera particularmente favorable para lograr las propiedades mejoradas.
En una forma de realización, el dispositivo de reacción de acuerdo con la invención es un horno tubular. En otra forma de realización, el agitador es un transportador de tornillo. Con este diseño, las propiedades mejoradas que se han de lograr de acuerdo con la invención se pueden lograr de una manera particularmente favorable.
En una forma de realización, el transportador de tornillo presenta secciones con diferentes pasos. De esta manera, se definen secciones en las que los componentes se pueden mezclar de manera diferente, se pueden controlar individualmente de manera específica y que pueden presentar diferentes temperaturas.
En otra forma de realización, el dispositivo de reacción de acuerdo con la invención presenta varias zonas de reacción con diferentes temperaturas, lo que significa que los procesos de reacción pueden controlarse de forma específica en función de los requisitos.
En otra forma de realización, las secciones múltiples se encuentran en un reactor o en reactores interconectados con diferentes temperaturas. De este modo, los procesos de reacción se pueden controlar ventajosamente de manera ventajosa y específica.
En particular, el intercambiador de calor es favorable para reactores circulares o semicirculares, por ejemplo, para la conversión termoquímica de biomasa, carbón, plásticos, mezclas (metálicas) que contienen polímeros o mezclas de estos. También es posible una aplicación en extrusoras para procesar polímeros, plásticos y similares.
Como realización relacionada con la aplicación, el intercambiador de calor se puede usar de manera favorable para suministrar o extraer energía térmica de manera selectiva en dispositivos de reacción con varias zonas de reacción. Un ejemplo es en este caso la conducción en cascada en la conversión de biomasa, en la que la parte media del reactor tiene el mayor requerimiento de calor por razones de cinética de la reacción. Con la ayuda de la presente invención, este requisito se puede cumplir instalando diferentes zonas de temperatura y mediante el control y distribución específicos de flujo de gas caliente en el intercambiador de calor.
De acuerdo con la invención, se prevé un intercambiador de calor para transferir energía térmica de un flujo de material a otro flujo de material en el dispositivo de reacción, presentando el intercambiador de calor la estructura de una rejilla (también denominada en lo sucesivo estructura de rejilla ) y comprendiendo el intercambiador de calor al menos dos capas que presentan la estructura de una rejilla, la comprenden o consisten en ella.
Por estructura de rejilla en el sentido de la presente invención se entiende cualquier estructura de rejilla, siendo una rejilla una disposición de partes alargadas, en particular a distancias uniformes. Las partes alargadas pueden estar atravesadas a este respecto por otras partes alargadas, dando como resultado una estructura que presenta, en particular, mallas o aberturas regulares. Las mallas/aberturas pueden presentar cualquier forma geométrica, por ejemplo, pueden ser romboidales, cuadradas o hexagonales. Además, la rejilla puede presentar un borde periférico. La estructura de rejilla puede ser rígida o flexible.
Esta estructura de rejilla se utiliza como intercambiador de calor. En particular, esto significa que la estructura de rejilla está adaptada de tal manera que cumple los requisitos para poder utilizarse como intercambiador de calor. El intercambiador de calor de acuerdo con la invención está adaptado en particular de tal manera que se atraviesan todas las capas.
En el intercambiador de calor hay al menos dos capas con estructuras de rejilla, por ejemplo, entre unas 3 y unas 50 o entre unas 5 y unas 30. Esta estructura multicapa se puede fabricar, por ejemplo, apilando las capas con estructura de rejilla unas sobre otras.
El intercambiador de calor conocido por el anterior documento GB 19310012139 se diferencia del intercambiador de calor utilizado de acuerdo con la invención en los siguientes puntos: A pesar de doblarse y plegarse, la red descrita en el documento GB19310012139 consiste, por un lado, en una sola capa recorrida por el flujo y, por otro lado, el flujo se produce solo en una dirección radial, de manera similar al paso por un tamiz. Para presentar la mayor superficie de transferencia de calor posible, la red tendría que presentar una estructura reticular muy fina, lo que, sin embargo, conduciría a pérdidas de presión elevadas. Algo similar ocurre cuando se superponen varias capas de la red del documento GB19310012139. En contraste con esto, el intercambiador de calor utilizado de acuerdo con la invención presenta varias capas, cada una de las cuales presenta una estructura de rejilla que, además, está adaptada de tal manera que todas las capas son atravesadas.
Con el intercambiador de calor es posible llevar calor de manera precisa y eficiente, principalmente mediante radiación térmica, a procesos endotérmicos de diferentes niveles de temperatura, en particular pirólisis, gasificación y reformado, y aprovechar a este respecto el calor residual de otros procesos. Por medio del intercambiador de calor, se puede aprovechar la transferencia de energía, muy eficiente, por medio de radiación térmica incluso a temperaturas relativamente bajas de 500 °C. Como fuente de calor sirve en particular gas caliente, procedente de la combustión de productos de conversión, por ejemplo, de una pirólisis o gasificación. La rápida entrada de calor que es necesaria en muchos procesos está determinada en gran medida por la superficie de intercambio de calor disponible, que se incrementa significativamente por la estructura de rejilla especial en comparación con la superficie de la pared del dispositivo reactor. Las pérdidas de presión que se producen con sistemas comparables, como los cuerpos con nervaduras, se reducen al mínimo.
La razón para las pérdidas de presión tan bajas es que un flujo laminar con un flujo volumétrico bajo concomitante o velocidades de flujo bajas bastan para poder hacer funcionar el intercambiador de calor de manera eficiente. Por lo tanto, no hay necesidad de generar flujos turbulentos, que a su vez requerirían grupos significativamente más grandes. Esto ahorra no solo costes de inversión, sino también de energía.
En una forma de realización, las capas del intercambiador de calor están unidas entre sí en sus puntos o superficies de contacto, indicando el término "unidas" que puede haber una unión permanente tal como la que puede lograrse mediante soldadura blanda, fuerte o pegado. Esto es ventajoso con respecto a la transferencia de calor en el intervalo de temperaturas más bajas.
En una forma de realización, la estructura de una rejilla comprende o consiste en una rejilla de malla, es decir, una rejilla con mallas que se pueden diseñar de manera individual en función de la aplicación. En el intercambiador de calor, cada capa del mismo puede presentar dicha malla o consistir en ella. Las ventajas de acuerdo con la invención se consiguen así de manera particularmente ventajosa. Con respecto a la estructura de rejilla, puede tratarse en particular de superficies de rejilla apiladas, estiradas, con alambres. En general, es posible una realización de la estructura de rejilla en cualquier estructura tridimensional. Una estructura de panal se puede mencionar como un ejemplo de una estructura ordenada o simétrica. Sin embargo, la rejilla también se puede utilizar como una estructura asimétrica, no ordenada. Para su aplicación como intercambiador de calor para gases calientes, las pérdidas de presión muy bajas y las altas proporciones de radiación de calor son favorables en comparación con otros tipos de transferencia de calor. En función de la elección del material, los efectos de la radiación térmica ya se hacen valer a temperaturas relativamente bajas (400 a 500 °C).
En una forma de realización, la rejilla de malla puede presentar al menos uno de los siguientes parámetros y, en algunas realizaciones, todos estos parámetros: una abertura de malla de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 30 mm, o de aproximadamente 8 mm a aproximadamente 25 mm; una proporción de volumen vacío de aproximadamente el 80 % a aproximadamente el 97 %, o de aproximadamente el 90 % a aproximadamente el 95 %, o una densidad de área para la transferencia de calor por convección del gas a la rejilla de aproximadamente 500 m2/m3 o menos. Debido a una anchura de canal grande de unos 30 mm a unos 150 mm o de unos 50 mm a unos 100 mm, la proporción de volumen vacío y la densidad de la superficie, basta una velocidad de flujo de gas caliente extremadamente baja de como máximo aproximadamente 1,5 m/s para una transferencia de calor eficaz. No es necesario generar un flujo de gas turbulento con una correspondiente pérdida de presión.
Hay varias posibilidades para la realización geométrica de la estructura de rejilla. La realización puede llevarse a cabo, por ejemplo, en forma de varias capas de una estructura de rejilla relativamente plana, aproximadamente bidimensional, que estén conectadas entre sí mediante alambres. La estructura de rejilla también puede consistir en alambres curvados en forma ondulada que estén conectados entre sí en puntos adecuados en varios planos. La estructura de rejilla puede estar provista adicionalmente de nervaduras longitudinales, lo que aumenta la superficie de transferencia de calor y permite mejorar la conducción de calor a lo largo de la pared del reactor. Adicionalmente, se pueden usar nervaduras o chapas para guiar el flujo de gas de manera específica dentro del sistema de transferencia de calor. Como posibilidad adicional, la estructura de rejilla puede presentar cuerpos de alambre unidos entre sí, que pueden presentar una geometría más o menos compleja. En su realización, estos cuerpos de alambre pueden presentar, por ejemplo, similitudes con la geometría de los anillos Raschig y sus variaciones. Asimismo, la rejilla se puede construir de forma similar a una estructura de panal. También es posible una realización como estructura de rejilla desordenada, similar a la lana de acero. El grosor del alambre se puede seleccionar a este respecto en función
de los parámetros del proceso (principalmente la temperatura y el contenido de oxígeno) para garantizar la estabilidad de la estructura de rejilla.
En una forma de realización, el intercambiador de calor, es decir, la estructura de rejilla, puede comprender o consistir en un metal, una aleación de metal, un compuesto de metal sinterizado o un material cerámico. Por ejemplo, metales como el cobre, el hierro, el aluminio y diversas aleaciones metálicas (p. ej., acero VA) son adecuados para la transferencia de calor en un rango de bajas temperaturas. Otra posibilidad estriba en la aplicación de compuestos de metal sinterizado (por ejemplo, una capa de cobre sinterizado sobre un cuerpo de acero) o materiales y metales revestidos de alguna otra manera. Se pueden combinar diferentes materiales por razones de protección contra la corrosión y/o para mejorar las propiedades de conducción de calor y/o radiación de calor. Los materiales cerámicos (por ejemplo, óxido de aluminio o carburo de silicio), entre otros, se pueden aplicarse para el rango de altas temperaturas.
En una forma de realización, el intercambiador de calor puede presentar un catalizador. Por medio de recubrimientos especiales de la estructura de rejilla, por ejemplo, recubrimientos metálicos o cerámicos, se puede lograr un efecto catalítico, además de la función como intercambiador de calor, que promueva las reacciones deseadas en el medio intercambiador de calor utilizado. Un ejemplo es la reducción de los componentes nocivos de los gases de combustión (p. ej., NOx, dioxinas/furanos, etc.) en el uso del calor residual de gases de combustión.
En una forma de realización, el intercambiador de calor puede estar configurado como un reflector (por ejemplo, alambre pulido), en particular, la pared del dispositivo de reacción está configurada en este casi como un radiador negro (por ejemplo, acero calorizado). De esta manera, se puede lograr una distribución uniforme del calor de radiación.
En una forma de realización, el intercambiador de calor puede presentar nervaduras, en particular nervaduras longitudinales. La incorporación de nervaduras/nervaduras longitudinales en la estructura de rejilla, que pueden unirse firmemente a la pared del reactor, es ventajosa en particular a temperaturas de gas de combustión relativamente bajas. De esta manera, se aumenta adicionalmente la superficie de transferencia de calor. Además, se mejora la conducción del calor en la pared del reactor. El intercambiador de calor de acuerdo con la invención puede estar previsto para el calentamiento de reactores de lecho fijo. En este caso, para aumentar aún más la superficie de transferencia de calor, se pueden instalar nervaduras dentro del reactor que lleguen hasta el lecho. De esta manera, la mayor cantidad de calor que está disponible desde el exterior a través de la rejilla puede introducirse eficazmente en el lecho de reacción.
En una forma de realización, el intercambiador de calor puede estar presente con un material aislante. Esto puede ser útil, por ejemplo, para evitar el sobrecalentamiento del dispositivo de reacción en el punto donde se introduce el gas caliente o para proteger del sobrecalentamiento los cojinetes y juntas en las piezas iniciales y finales del dispositivo de reacción. Un cambio en el grosor del material de la capa aislante también se puede utilizar como aislamiento o tampón y para homogeneizar la distribución de temperatura. De esta forma, una temperatura que tiende a ser demasiado alta en el exterior (es decir, en este caso en el intercambiador de calor) puede llevarse al área de reacción específica de manera uniforme y a un nivel adecuado para la reacción. El intercambiador de calor se puede combinar con material aislante en una construcción de sándwich, que también se puede realizar en forma de cuña. Esto es particularmente favorable, sobre todo, en el caso de intercambiadores de calor con flujo longitudinal e intercambiadores de calor de flujo cruzado.
En una forma de realización, el dispositivo de reacción de acuerdo con la invención se puede usar para carbonizar, craquear y/o reformar biomasa y/o biorresiduos. Para ello, pueden utilizarse al menos dos dispositivos de reacción que pueden funcionar a diferentes temperaturas, pudiendo estar dispuestos en cascada al menos dos dispositivos de reacción. En particular, la biomasa o los residuos orgánicos pueden carbonizarse, craquearse y reformarse en dos etapas de reactor con exclusión de oxígeno. Los productos de conversión sólidos producidos en estos procesos pueden gasificarse y, a continuación, quemarse en un quemador de gas, produciéndose gas caliente.
Para un uso eficaz e interno del proceso del gas caliente, el intercambiador de calor se usa para transferir energía al dispositivo de reacción basado en la estructura de rejilla especial, apilada/en capas y, por lo tanto, tridimensional, del intercambiador de calor, a través del cual fluye el gas caliente. Gracias a la estructura especial de esta rejilla, la cantidad de energía térmica presente en el gas caliente puede introducirse eficazmente en el dispositivo de reacción aumentando la superficie de transferencia de calor, sin presentar pérdidas de presión elevadas en el sistema. La conexión consecutiva en cascada de los dispositivos de reacción de diferentes temperaturas permite utilizar la cantidad de energía residual presente después de cada etapa. De esta manera, la proporción de fuentes de energía secundaria en el suministro total de energía o calor se reduce significativamente y el sistema total puede funcionar autónomamente con respecto al balance de energía térmica después de alcanzar las temperaturas de funcionamiento.
En una forma de realización, el dispositivo de reacción de acuerdo con la invención se puede utilizar para eliminar calor de procesos exotérmicos y para recuperar calor. Por ejemplo, los dispositivos de reacción se pueden enfriar indirectamente desde el exterior con el intercambiador de calor. Gracias a que las pérdidas de presión son muy bajas, también es posible refrigerar eficazmente los flujos de gas caliente y permitir una recuperación de calor insertando el intercambiador de calor directamente en la corriente de gas de escape.
Hay una mejora significativa en comparación con el calentamiento por medio de sistemas eléctricos o basados en quemadores con respecto a la transferencia de calor altamente eficaz al producto de conversión, que se caracteriza por una alta proporción de radiación térmica. Especialmente el uso de gases calientes procedentes de la combustión de productos de conversión está limitado en intercambiadores de calor convencionales debido a la(s) superficie(s) de transferencia de calor limitada(s) y es ineficiente como consecuencia de las elevadas pérdidas presión, entre otras cosas.
En una forma de realización, el dispositivo de acuerdo con la invención se puede utilizar para la regulación dinámica de sistemas de reactores de temperatura controlada (por lotes) en los que la cinética de reacción hace necesario suministrar primero calor al proceso que tiene lugar en el dispositivo de reacción y luego eliminar el calor nuevamente después de que se haya superado un umbral predeterminado. Ejemplos de tales procesos pueden representar tanto reacciones químicas como enzimáticas. Debido a las opciones dinámicas de arranque, parada y cambio, también son posibles aplicaciones en procedimientos de parada de emergencia.
El intercambiador de calor es apropiado, además de para un calentamiento eficaz, para enfriar reactores. A modo de ejemplo, sean citados los procesos de conversión exotérmica (por ejemplo, gasificación y combustión), en los que existe riesgo de sobrecalentamiento. El intercambiador de calor permite disipar el exceso de calor de manera específica, sobre todo, cuando esto ocurre localmente en determinadas zonas de reacción. Esto se puede hacer controlando específicamente el medio refrigerante por medio deflectores o cascadas de intercambiadores de calor separados entre sí.
Además, es posible la combinación del intercambiador de calor con diferentes sistemas de calentamiento como, por ejemplo, el calentamiento por resistencia o el calentamiento por inducción. Con respecto a los ejemplos mencionados, la rejilla también se puede utilizar como conductor eléctrico si se selecciona un material adecuado, para que funcione no solo como un intercambiador de calor, sino también como un elemento calefactor activo. Además de los ya mencionados, básicamente todos los fluidos son adecuados como medios de transferencia de calor, incluido el aire o gases puros como el nitrógeno o el argón. También son concebibles medios que aún son líquidos a temperaturas más altas, como aceites térmicos.
El intercambiador de calor logra varias ventajas con respecto a otros sistemas de intercambiadores de calor. Una ventaja surge del aumento de la superficie de transferencia de calor, lo que significa que se requieren velocidades de flujo o flujos volumétricos esencialmente más bajos. Como resultado, las pérdidas de presión son menores que en los intercambiadores de calor que solo logran un rendimiento de transferencia de calor suficiente en condiciones de flujo turbulento (por ejemplo, intercambiadores de calor de placas o de haz de tubos). Por tanto, el uso de la estructura de rejilla también destaca entre otras soluciones que sirven para aumentar la superficie de transferencia de calor, por ejemplo, el uso de un lecho de bolas o lana de acero. A diferencia del intercambiador de calor con estructura de rejilla, las dos soluciones conducen a elevadas pérdidas de presión. Otra ventaja surge del hecho de que el intercambiador de calor de acuerdo con la invención tolera en gran medida la incrustación debido a la baja pérdida de presión, como resultado de lo cual el riesgo de fallo y los costes de mantenimiento son menores que con los intercambiadores de calor según el estado de la técnica. Esto hace que el intercambiador de calor sea especialmente adecuado para gases de combustión que contengan polvo y/o sales.
Debido a las bajas pérdidas de presión del intercambiador de calor con estructura de rejilla, es posible disponer varios reactores en cascada si estos requieren calor a diferentes niveles de temperatura. La energía térmica presente en el gas caliente se introduce gradualmente en los procesos de conversión. El calor residual que queda después de la última etapa se puede utilizar para calentar el aire de combustión del quemador de gas y/o para secar las materias primas del proceso general que puedan estar húmedas.
Se pueden combinar diferentes tipos de intercambiadores de calor para un diseño muy específico del producto de la entrada de calor. Por ejemplo, el primer reactor podría funcionar a contracorriente; el segundo, en corriente cruzada; y los reactores tres y cuatro; en corriente continua. Esto es particularmente favorable cuando el material de entrada debe calentarse lentamente, luego el calor debe suministrarse uniformemente a una temperatura constante y luego llevarse rápidamente a temperaturas más altas.
La invención se explicará con más detalle a continuación mediante figuras y ejemplos de realización sin limitar la idea inventiva general. A este respecto, muestra:
La Figura 1, un dispositivo de reacción de acuerdo con la invención.
La Figura 2, un intercambiador de calor.
La Figura 3, una disposición de reactor en la que se utiliza el intercambiador de calor.
La Figura 4, la combinación de un intercambiador de calor con material aislante en un horno tubular con transportador de tornillo como dispositivo de reacción de acuerdo con la invención en una primera forma de
realización.
La Figura 5, la combinación de un intercambiador de calor con material aislante en un horno tubular con transportador de tornillo como dispositivo de reacción de acuerdo con la invención en una segunda forma de realización.
La figura 6, una vista tridimensional de una hoja de tornillo, rellena con el intercambiador de calor, de un horno tubular con transportador de tornillo y los conductos tubulares para calentar las secciones de tornillo individuales.
La figura 7, una vista lateral del horno tubular de la figura 6 con tres secciones de tornillo que se pueden controlar térmica y mecánicamente de forma individual.
Las figuras 8a y 8b muestran vistas tridimensionales de la transición para calentar las secciones de tornillo individuales del horno tubular de la figura 6.
La figura 1 muestra un dispositivo de reacción 1 de acuerdo con la invención. Presenta una primera pared 2 que define un espacio interior 3 en el que se ubica un agitador 4. Además, el dispositivo de reacción de acuerdo con la invención presenta una segunda pared 6 que define un espacio intermedio 7 situado entre la primera pared 2 y la segunda pared 6. El intercambiador de calor 5 está situado en este espacio intermedio 7. El agitador 4 presenta palas helicoidales huecas 4a, en las que el intercambiador de calor 5 está ubicado de manera análoga al espacio intermedio 7 entre la primera pared 2 y la segunda pared 6.
La figura 2 muestra un intercambiador de calor 5. En cuanto a la estructura de rejilla, se trata de una rejilla estirada, apilada, con alambres 8, que tocan los alambres 8 de la siguiente rejilla en cada caso en los puntos de contacto 9 y se sueldan directamente a ellos, lo que es útil en particular en lo que se refiere a la transferencia de calor en el rango de temperatura más bajo. La estructura de rejilla presenta mallas 10, por lo que se trata de una rejilla de malla. Además, la estructura de rejilla presenta nervaduras 11.
La rejilla de malla presenta los siguientes parámetros: una abertura de malla de aproximadamente 8 mm, una proporción de volumen vacío de aproximadamente el 90 % o una densidad de área para la transferencia de calor por convección del gas a la rejilla de hasta aproximadamente 500 m2/m3. Debido a la gran anchura del canal (aprox. 100 mm), la proporción de volumen vacío y la densidad de área, basta una velocidad de flujo de gas caliente extraordinariamente baja de un máximo de 1,5 m/s para una transferencia de calor eficiente. No es necesario generar un flujo de gas turbulento con una correspondiente pérdida de presión.
El siguiente ejemplo de aplicación y cálculo muestra las ventajas del intercambiador de calor 5 de la figura 2 cuando se utiliza en un dispositivo de reacción 1. En un procedimiento térmico, la biomasa, como lodos de depuradora, sustrato de instalaciones de biogás o estiércol de caballo, se carboniza, se craquea y se reforma en dos etapas del reactor en ausencia de oxígeno. A este respecto, generalmente el resultado son tres fracciones que se dividen en productos sólidos (carbón), líquidos (petróleo) y gaseosos según su estado de agregación. Para productos líquidos y gaseosos, por ejemplo, existe la opción económica y ecológicamente muy interesante de usarlos en una central de cogeneración de combustible dual, por ejemplo, para producir electricidad y calor según la demanda. El carbón con alto contenido de carbono resultante, por otro lado, se gasifica y, a continuación, se quema en un quemador de gas para proporcionar el calor necesario para el proceso. Los gases de combustión con una temperatura inicial de aproximadamente 1200 °C se utilizan para calentar el reactor en un total de 4 zonas con diferentes niveles de temperatura, de modo que los gases de combustión se hacen pasar secuencialmente a través de cuatro zonas de reacción (véase figura 3).
La figura 3 muestra una disposición de reactor en la que se utiliza el intercambiador de calor. La disposición presenta cuatro zonas de reacción 13a, 13b, 13c y 13d que, a este respecto, pueden ser reactores individuales separados entre sí o también diferentes secciones de un reactor. En aras de una mayor sencillez, el término zona de reacción se utiliza a continuación para estos dos casos. La zona de reacción 13a está conectada a una fuente de calor 12 de manera que se introduce gas caliente en la zona de reacción 13a a través del conducto 15a. Desde la zona de reacción 13a, se alimenta gas caliente a través del conducto 15b a la zona de reacción 13c y, desde la zona de reacción 13c, a través del conducto 15b, a la zona de reacción 13b. Desde la zona de reacción 13b, el camino del gas caliente sigue a través del conducto 15c hacia la zona de reacción 13d, desde donde se descarga el gas caliente a través del conducto 15e. El producto de conversión se conduce a través de los conductos 14c, 14b y 14a a la zona de reacción 13a, partiendo de la zona de reacción 13d a través de las zonas de reacción 13c y 13b. A este respecto, la zona de reacción 13a tiene la temperatura más alta. Los conductos de gas caliente 15a, 15b, 15c y 15d están provistos de un intercambiador de calor 5 con una estructura de rejilla como se ha descrito anteriormente.
El sistema de reactor en el que se basa este ejemplo es de escala comercial y tiene una capacidad de 300 kg/h. El sistema presenta los datos fundamentales indicados en la Tabla 1:
Tab. 1: Datos geométricos del sistema de reactor
En cuanto a las geometrías indicadas en la tabla 1, cabe señalar que anchuras de 10 a 200 mm se consideran típicas. Por otra parte, pequeños reactores a escala de planta técnica o incluso de laboratorio también pueden funcionar con anchuras inferiores a 10 mm.
Por medio de un sistema como es descrito en la tabla 1, se pueden lograr flujos de calor de más de 20 kW/m2 dependiendo del flujo de calor en el espacio interior del reactor, las temperaturas de los gases calientes y las temperaturas de las paredes, con bajas pérdidas de presión.
En el ejemplo concreto, se puede realizar un total de 156,9 kW de flujo de calor en un área total de pared de 15,6 m2 a través de 4 zonas de reacción 13a, 13b, 13c y 13d a temperaturas de gas caliente de 1200 °C (entrada) a 523 °C (salida). Al mismo tiempo, se genera una pérdida de presión calculada de solo 129,2 hPa.
Con un precalentamiento óptimo del aire de combustión utilizando el calor residual, se puede lograr en este sentido una eficiencia térmica del mecanismo de transferencia de calor de hasta el 86,9%, despreciando las pérdidas de calor en los conductos (14a-e) y por radiación de las superficies del reactor.
La tabla 2 muestra los resultados del ejemplo de realización en términos de datos de energía térmica.
Tabla 2
Para proporcionar la cantidad de energía térmica en la que se basa el ejemplo en 690 kg/h de gas caliente a 1200 °C, se requieren, por hora, 48,3 kg del (bio)carbón producido, que presenta un poder calorífico de 16,6 MJ/kg y un contenido de cenizas del 38% en masa. En varias pruebas con una amplia variedad de materiales de entrada, se ha puesto de manifiesto que esta cantidad se puede proporcionar dentro del proceso (en promedio, se producen 120 kg/h de biocarbón a partir de 400 kg/h de entrada)
Para generar el gas caliente, el carbón se gasifica primero en un gasificador a contracorriente y, a continuación, se quema en una cámara de presión bajo una ligera sobrepresión. En este sentido, se puede lograr una eficiencia de gas frío en el intervalo del 80-90%, de modo que la eficiencia térmica total de un sistema de calefacción de este tipo es de aproximadamente el 70-80%.
Se puede usar una combinación de ventiladores de presión y succión para superar neumáticamente de manera eficiente la pérdida de presión del sistema de calefacción, lo que hace que un intercambiador de calor de gases de escape sea favorable por razones de selección de materiales.
También se cumple fundamentalmente cierto que la eficiencia total de un sistema de calefacción de este tipo aumenta con la temperatura de entrada del gas de combustión.
Las figuras 4 y 5 muestran cómo se combina el intercambiador de calor 5 con el material aislante 16. Esto puede ser beneficioso, por ejemplo, para evitar el sobrecalentamiento del reactor en el punto donde se introduce el gas caliente 0 para proteger del sobrecalentamiento cojinetes y juntas en las piezas iniciales y finales del reactor. La combinación de intercambiador de calor 5 y material aislante 16 está realiza con estructura de sándwich en forma de cuña. Esto es particularmente útil en el caso de intercambiadores de calor de flujo longitudinal y de flujo cruzado, como se muestra en las siguientes figuras 4 y 5.
La figura 4 muestra una de las posibles zonas de reacción 13a, 13b, 13c y 13d de la figura 3. El dispositivo de reacción 1 expuesto se muestra a modo de ejemplo como un horno tubular 1a, definiendo la pared tubular 17 el espacio interior
3 en el que se encuentra un transportador de tomillo 18 que presente un eje de tomillo 19 y palas de tomillo 20. El intercambiador de calor 5 y el material aislante 16 están previstos en la superficie orientada en sentido opuesto al espacio interior. Ambos están configurados aproximadamente con forma de cuña y están apilados uno sobre otro. El flujo de gas caliente 21 corre longitudinalmente a lo largo de la pared tubular 17 y fluye a este respecto a través del intercambiador de calor 5 configurado en forma de cuña, así como el material aislante 16 también diseñado en forma de cuña.
La figura 5 muestra la combinación de intercambiador de calor 5 y material aislante 16 en un intercambiador de calor cruzado 1b. El intercambiador de calor cruzado 1b comprende una pared tubular 17 que define el espacio interior 3 en el que se encuentra el tornillo transportador 18 que presenta un eje de tornillo 19 y palas de tornillo 20. A este respecto, el intercambiador de calor de flujo cruzado 1b presenta dos secciones que se caracterizan por los pasos opuestos de las palas del tornillo que se muestran en la figura 5. En ambas secciones, el intercambiador de calor 5 y el material aislante 16 están situados en la superficie de la pared tubular 17 frente al espacio interior 3, ambos apilados uno encima del otro y diseñados en forma de cuña. La corriente de gas caliente 21 está marcada con flechas en la figura 5. La corriente de gas caliente 21 se divide a este respecto y fluye en ambas secciones.
En el caso de reactores con unidades de agitación internas como los tornillos 18 y reactores de gran diámetro, también es posible el calentamiento desde el exterior, adicionalmente también el calentamiento por medio el eje de tornillo 19 (variante 1) y/o por las palas del tornillo 20 (variante 2 ). En el caso de la variante 2, existen a su vez otras dos variantes (2a y 2b):
Variante 1): El eje de tornillo 19 se utiliza (adicionalmente) para fines de calefacción: El eje de tornillo 19 es hueco y está lleno del intercambiador de calor 5 con una estructura de rejilla. Luego, se hace fluir el gas caliente a la temperatura adecuada a través de esta y se conduce energía térmica desde el espacio interior del reactor hacia el producto de conversión.
Variante 2): Las palas del tornillo 20 también se llenan con el intercambiador de calor 5 con una estructura de rejilla y el gas caliente fluye a través de estos alternativa o adicionalmente al eje de tornillo 19:
2a): Las palas de tornillo 20 llenas con el intercambiador de calor 5 con una estructura de rejilla son recorridas por gas caliente desde el principio hasta el final. Esta realización es en particular interesante cuando se puede utilizar un gradiente de temperatura interna, por ejemplo, intercambiadores de calor de corriente continua, para llevar el medio que se ha de convertir a la misma temperatura que el gas caliente.
2b): A través del eje de tornillo 19, se conducen gases calientes de diferentes o iguales temperaturas en tubos individuales 22 a diferentes secciones 25A, 25B, 25C del tornillo. Los extremos tubulares luego dirigen los gases calientes hacia segmentos de las palas de tornillo 20 que pueden introducir con precisión la energía térmica en el producto que se va a convertir. Esta variante se puede utilizar para atemperar el material gradualmente o a lo largo de una disposición de reactores en cascada. En este último caso mencionado, los reactores individuales en un sistema no pueden instalarse estructuralmente por separado unos de otros. Esto ahorra espacio y puede reducir la pérdida de calor.
Las siguientes figuras 6 a 8 ilustran la variante 2b, en particular anteriormente descrita.
La figura 6 muestra una vista tridimensional de un horno tubular 1a en el que las palas de tornillo 20 están llenas del intercambiador de calor 5. Además, el intercambiador de calor 5 está situado en un espacio formado por la pared tubular 17 y una pared exterior 24. Una cubierta 23 con conductos tubulares 22 cierra el eje de tornillo 19, extendiéndose los conductos tubulares 22 en el interior del eje de tornillo 19 para transportar gas caliente a él.
La figura 7 muestra una vista lateral del dispositivo de la figura 6 con tres secciones de tornillo 25a, 25b y 25c que pueden controlarse térmica y mecánicamente de forma individual a través de los conductos 22a, 22b y 22c. A este respecto, el conducto 22a se extiende hasta el final de la sección de tornillo 25a y el conducto 22b hasta el final de la sección de tornillo 25b. El tercer conducto 22c llega hasta el final de la tercera sección de tornillo 25c. La controlabilidad térmica y mecánica individual mencionada anteriormente de las secciones de tornillo 25a, 25b y 25c se puede lograr, por lo tanto, mediante conductos 22a, 22b y 22c de diferentes longitudes. Como puede verse en la figura 7, las palas de tornillo 20 pueden presentar un paso diferente en las diferentes secciones de tornillo 25a y 25b y 25c. El interior del eje de tornillo 19 se puede cerrar con una cubierta 23. El gas caliente se puede transportar en los conductos 22a, 22b y 22c.
Las figuras 8a y 8b muestran una vista tridimensional de la pieza de transición para calentar las secciones individuales de tornillo 25a, 25b y 25c desde dos perspectivas diferentes, como se describe en detalle en la figura 7. A este respecto, los conductos 22a, 22b y 22c pueden conectarse entre sí a través de los conductos de conexión 26 de tal manera que el retorno de una sección se convierte en el flujo de la otra sección.
Además de las explicaciones indicadas para la introducción de calor por medio del diseño del intercambiador de calor descrito en esta invención, también es posible una inversión del proceso en el caso de procesos exotérmicos. De esta
manera, se libera calor en uno o más reactores, que puede disiparse a través del nuevo tipo de intercambiador de calor y ponerse a disposición de posteriores procesos.
Dado que el gas caliente en cada ejemplo de realización fluye por una vía independiente que está sellada de manera estanca (al gas) del material que se ha de procesar, básicamente, también es posible utilizar gases calientes que, por ejemplo, debido a su composición, no pueden entrar en contacto con el producto que se va a procesar.
Claims (15)
1. Dispositivo de reacción (1) con una primera pared (2) que define un espacio interior (3) en el que se ubica un agitador (4),caracterizado por que un intercambiador de calor (5) está previsto al menos parcialmente en la superficie de la primera pared (2) orientada en sentido opuesto al espacio interior (3) y/o en el agitador (4), presentando el intercambiador de calor (5) la estructura de una rejilla y habiendo al menos dos capas que presentan la estructura de una rejilla.
2. Dispositivo de reacción (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que presenta una doble pared compuesta por la primera pared (2) y una segunda pared (6), de manera que, entre la primera pared (2) y la segunda pared (6), se forma un espacio intermedio (7) en el cual está presente el intercambiador de calor (5).
3. Dispositivo de reacción (1) según la reivindicación 2, caracterizado por que el dispositivo de reacción (1) es un horno tubular (1a).
4. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el agitador (4) es un transportador de tornillo (18), en particular teniendo el transportador de tornillo (18) secciones de tornillo (25a, 25b, 25c) que tienen diferentes pasos.
5. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el dispositivo de reacción (1) presenta al menos dos zonas de reacción (13a, 13b, 13c, 13d) con diferentes temperaturas.
6. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que las capas del intercambiador de calor (5) están conectadas entre sí en sus superficies o puntos de contacto (8).
7. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 o 6, caracterizado por que la estructura de una rejilla comprende o consiste en una rejilla de malla, presentando en particular la rejilla de malla una abertura de malla de 3 mm a 30 mm.
8. Dispositivo de reacción (1) según la reivindicación 7, caracterizado por que una proporción de volumen vacío de la rejilla de malla es del 90 % al 95 %, y/o por que la densidad de área de la rejilla de malla para la transferencia de calor por convección de gas a la rejilla se sitúa entre 200 m2/ m3 hasta 500 m2/ m3.
9. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 7 u 8, caracterizado por que una anchura de canal de la rejilla de malla es de entre 30 mm y 150 mm.
10. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el intercambiador de calor (5) comprende o consta de un metal, una aleación de metal, un compuesto de metal sinterizado o un material cerámico.
11. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que el intercambiador de calor (5) presenta un catalizador.
12. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que el intercambiador de calor (5) está diseñado como reflector.
13. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado por que el intercambiador de calor (5) presenta nervaduras (10).
14. Dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que el intercambiador de calor (5) está presente junto con un material aislante (16).
15. Uso del dispositivo de reacción (1) según una de las reivindicaciones 1 a 14 para carbonizar, craquear y reformar biomasa y/o biorresiduos, o para disipar calor de procesos exotérmicos y para recuperar calor, o para regular dinámicamente sistemas de reactores de temperatura controlada en los que el calor se agrega primero al proceso que tiene lugar en el reactor y el calor se disipa después de que se haya superado un umbral predeterminado.
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