ES2994409B2 - Sistema reactor y metodo para la valorizacion de residuos plasticos - Google Patents

Description

SISTEMA REACTOR Y MÉTODO PARA LA VALORIZACIÓN DE RESIDUOS PLÁSTICOS

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo técnico de procesos endotérmicos, como la valorización de residuos plásticos, y más específicamente a un sistema reactor y método para la valorización de residuos plásticos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Entre los numerosos procesos químicos que requieren de temperatura para su evolución, se encuentra la conversión termoquímica de los residuos plásticos, donde actualmente existen descritos una gran variedad de sistemas y procesos para su conversión en otros productos de valor añadido, tales como ceras (posteriormente se pueden convertir en hidrocarburos), productos líquidos (presentan propiedades químicas equivalentes a los productos destilados a partir del petróleo), productos gaseosos (equivalente al gas natural) y carbón de pirólisis (fácilmente separable). Entre estos productos, la fracción líquida se considera el componente más valioso, por su procesado posterior en gasolina, diésel, nafta y compuestos aromáticos, que pueden usarse como combustibles o materias primas para la fabricación de nuevos plásticos o productos químicos.

La conversión termoquímica de los desechos, ya sean plásticos o de otra naturaleza, se puede lograr a través de varias rutas, incluida la pirólisis. La pirólisis es un proceso de descomposición de materiales a alta temperatura en ausencia de oxígeno, y puede utilizarse para convertir los residuos plásticos en los productos de alto valor añadido mencionados anteriormente.

Se puede distinguir entre pirólisis térmica y pirólisis catalítica. En el primer caso, en los procesos de pirólisis térmica, se emplea una temperatura elevada para lograr la descomposición, mientras que, en la pirólisis catalítica, se utilizan catalizadores con una porosidad y acidez apreciables para disminuir la energía de activación (y por tanto la temperatura) de la descomposición del plástico y modificar la composición de los productos.

Una limitación importante que existe actualmente con la tecnología relacionada con la pirólisis de residuos plásticos es el alto consumo de energía, debido a la elevada endotermicidad de este tipo de procesos, reduciendo el atractivo económico del reciclaje de estos residuos mediante pirólisis a escala industrial.

Habitualmente la pirólisis de residuos plásticos se relaciona con el uso de sistemas de calentamiento resistivos, aunque recientemente se han descrito soluciones que utilizan métodos de calentamiento alternativos, tales como el calentamiento microondas o campos magnéticos alternos de media y alta frecuencia en los que se emplea energía eléctrica para la creación de un campo que induce corrientes eléctricas que son las que proporcionan la energía térmica.

WO2017036794A1 describe un sistema de reactor para llevar a cabo una reacción química catalítica endotérmica al poner en contacto un reactivo con un material catalizador. El sistema de reactor comprende una unidad de reactor dispuesta para acomodar material catalítico que comprende uno o más soportes macroscópicos ferromagnéticos susceptibles de calentamiento por inducción.

WO2018000050A1 describe una planta de pirólisis y un proceso para la conversión de residuos plásticos. El reactor es un recipiente que se calienta mediante corrientes de Foucault, combustión de gas o una combinación de estos, de manera que lo que se calienta por inducción es la pared del reactor y no ningún elemento interno del mismo.

WO2020212274A1 describe un reactor de pirólisis y un proceso para reciclar materiales de desecho utilizando un recipiente horizontal equipado con un agitador en la cavidad interna y material granulado que se calienta por inducción, para proporcionar energía térmica al sistema de reactor.

WO2017186608A1 describe un sistema de reactor para llevar a cabo una reacción química catalítica endotérmica, y un método para llevar a cabo dicha reacción. El sistema comprende una unidad de reactor dispuesta para alojar material catalizador para catalizar una reacción química endotérmica, comprendiendo dicho material catalizador un material susceptor ferromagnético (con estructura tipo espinela, espinela inversa o perovskita) que es susceptible de calentamiento por inducción cuando está sujeto a un campo magnético alterno.

En resumen, en los sistemas y métodos conocidos en el estado de la técnica para llevar a cabo reacciones endotérmicas para la revalorización de residuos, se usa el calentamiento inductivo, pero utilizando como material susceptor de la radiación magnética las paredes del reactor, la propia pala agitadora o bien necesitan de la adición de susceptores no coherentes en forma de gránulos o agujas.

Estos sistemas y métodos conocidos presentan problemas técnicos o dificultades a la hora de optimizar el proceso. Por ejemplo, cuando se utilizan las paredes del reactor como susceptor, no se optimiza el perfil de temperaturas alcanzándose el máximo en las paredes en lugar de en el núcleo. Asimismo, el perfil de temperaturas introduce una heterogeneidad en el espacio de trabajo, necesitándose cierto tiempo para alcanzar la temperatura de trabajo en las paredes y su transmisión al núcleo.

Además, la transmisión de potencia desde la fuente externa es ineficiente ya que se necesitan distintos mecanismos de transferencia de calor basados en radiación infrarroja o convección a través de un fluido portador.

Por otra parte, cuando se utilizan materiales susceptores no coherentes, al igual que la utilización de la pala agitadora del reactor, no se consigue maximizar el contacto de los reactivos con las superficies calientes.

Los materiales susceptores no coherentes, al igual que la utilización de la pala agitadora del reactor, no consiguen el máximo contacto íntimo con el catalizador (en caso de que lo haya). Además, existe una pérdida de material susceptor después de cada ciclo del proceso productivo.

Por lo tanto, existe la necesidad de una solución que permita la mejora en los procesos de valorización material y energética de residuos, tales como plásticos, biomasa y/o combinación de estos y otros residuos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un sistema reactor y procedimiento para la valorización de residuos, donde se emplea una estructura metálica tipo enrejado que actúa como susceptor magnético, que presenta ciertas ventajas técnicas que se detallarán a continuación.

El objeto de la invención es conseguir un calentamiento rápido y eficiente en procesos endotérmicos, como la valorización de residuos, obteniéndose un ahorro energético que permite reducir la huella de carbono de este tipo de procesos.

En un primer aspecto, la presente invención proporciona un sistema reactor para la valorización de residuos caracterizado porque comprende:

- una unidad de reacción que comprende una entrada de residuos situada en la parte superior de dicha unidad, una salida de productos situada en la parte inferior de dicha unidad y una cavidad interna en la que se aloja al menos una estructura metálica tipo enrejado que actúa como susceptor magnético y al menos un sistema de sujeción que forma parte de la estructura interna del reactor configurado para sostener la estructura metálica tipo enrejado;

- un sistema de conductores configurado para ser alimentado por un sistema de generación de corriente alterna y situados de forma que generen un campo magnético dentro de la unidad de reacción al ser alimentado por el sistema de generación de corriente alterna, en donde este sistema de conductores está en un emplazamiento a elegir entre: alrededor de la estructura metálica tipo enrejado o alrededor de la unidad de reacción;

- un sistema de condensación conectado con la salida de productos; y

- un sistema de alimentación de gas situado en la parte superior de la unidad de reacción y configurado para introducir gas inerte en la unidad de reacción para desplazar el oxígeno.

La unidad de reacción de la presente invención comprende al menos una estructura metálica tipo enrejado, configurada para acoger los reactivos a tratar y transformarlos en productos.

Esta estructura, además de sustituir a los tradicionales soportes, como la lana de cuarzo en forma de lecho fijo, actúa como susceptor de la radiación electromagnética para incrementar la temperatura en el interior del reactor, no siendo necesaria la adición de susceptores adicionales como material granular o agitadores helicoidales.

En el sistema reactor de la presente invención se utilizan estructuras metálicas tipo enrejado como susceptores de campos magnéticos de media y alta frecuencia, en las que se inducen corrientes eléctricas que calientan la estructura mediante efecto Joule. Esta estructura metálica tipo enrejado puede fabricarse por cualquier método de fabricación, preferiblemente por fabricación aditiva.

Estas estructuras metálicas tipo enrejado están fabricadas de un material seleccionado de acero, acero inoxidable, aleaciones de aluminio o aleaciones de titanio. Preferiblemente, el acero es acero austenítico.

Preferiblemente el gas introducido a través del sistema de alimentación de gas se selecciona de entre nitrógeno, argón, helio, hidrógeno, vapor de agua o dióxido de carbono, para la creación de la atmósfera adecuada para la valorización de los residuos plásticos.

En el sistema reactor de la presente invención, el sistema de condensación permite la condensación y la recolección de productos líquidos y gaseosos no condensables. Los productos finales obtenidos son gases (hidrocarburos ligeros C<1>-C<4>), ceras y/o líquidos (C<5>-C<40>) y un residuo sólido de coque.

En el sistema reactor según el primer aspecto de la invención, el sistema de generación de campos magnéticos está configurado para proporcionar una frecuencia de entre 10 y 1.000 kHz.

Adicionalmente, en el sistema reactor según el primer aspecto de la invención, la unidad de reacción alcanza una temperatura de entre 200 y 800°C.

El sistema reactor de la presente invención permite, gracias a su configuración, un ahorro de tiempo de calentamiento del reactor para iniciar la reacción y de enfriamiento del reactor tras finalizar la reacción, ya que el mecanismo de apagado es inmediato provocando un drástico descenso a la temperatura en el reactor.

Adicionalmente se puede realizar un control de la temperatura del reactor por zonas, ya que la configuración del sistema reactor de la presente invención permite establecer distintas intensidades de campo magnético o conectarlas en distintos intervalos de tiempo, o el uso de enrejados con geometrías complejas, lo que da pie a un mejor control térmico de cada zona. Además, la distribución de temperaturas se hace mucho más uniforme en el interior del reactor, lo que proporciona una reacción más homogénea.

Entre otras de las ventajas cabe destacar que la potencia llega de forma más directa al núcleo del reactor donde se produce la reacción, aumentando la eficiencia del sistema. Por lo tanto, la reducción global de consumos energéticos debido a la transferencia directa de la potencia se traduce en una reducción en las emisiones de CO<2>a la atmósfera.

Además, el sistema es escalable a nivel industrial.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona un método para la valorización de residuos plásticos mediante el uso del sistema reactor del primer aspecto de la invención, caracterizado porque el método comprende las siguientes etapas:

a) generar un campo magnético alterno en el interior de la unidad de reacción para calentar al menos una estructura metálica tipo enrejado;

b) introducir los residuos por la entrada de residuos plásticos para que se lleve a cabo el proceso de pirólisis de dichos residuos; y

c) extraer los productos resultantes a través de la salida de productos.

En otro modo de realización, en la etapa b) adicionalmente se deposita un catalizador sobre al menos una de las estructura metálicas tipo enrejado antes de introducir los residuos plásticos.

En el método del segundo aspecto de la invención, los productos resultantes se seleccionan de hidrocarburos ligeros C<1>-C<4>, ceras, hidrocarburos C<5>-C<40>o mezclas de los anteriores y un residuo sólido de coque.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Figura 1. Representación del sistema reactor de la presente invención.

Figura 2. Vista transversal del interior del sistema reactor de la presente invención donde se observa la estructura metálica tipo enrejado y el sistema de sujeción de la estructura metálica.

Figura 3. Representación de la estructura metálica tipo enrejado mediante simulación por ordenador (A) y fotografía de la estructura metálica tipo enrejado empleada (B).

En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:

1. Unidad de reacción

2. Estructura metálica tipo enrejado

3. Sistema de sujeción de la estructura metálica

4. Sistema de generación de corriente alterna

5. Sistema de conductores

6. Entrada de residuos plásticos

7. Salida de productos

8. Sistema de alimentación de gas

9. Sistema de condensación

10. Tanque de gases

11. Trampa fría

DESCRIPCIÓN DE MODOS DE REALIZACIÓN

Como se puede ver en la figura 1, el sistema reactor para la valorización de residuos comprende una unidad de reacción (1) con una entrada de residuos plásticos (6) en la parte superior, una salida de productos (7) en la parte inferior, y una cavidad interna en la que se aloja al menos una estructura metálica tipo enrejado (2).

Un ejemplo de la forma básica de la estructura metálica puede observarse con mayor detalle en la figura 3.

Esta estructura metálica tipo enrejado (2) está sujeta en la cavidad interna mediante un sistema de sujeción (3) acoplado a las paredes formando parte de la estructura interna del reactor, como se puede ver en la figura 2. La estructura metálica (3) experimentará unas corrientes inducidas en su superficie bajo la acción de un campo magnético generado por un sistema de conductores (5), provocando el calentamiento rápido y efectivo del núcleo de la unidad de reacción.

En este modo de realización, el sistema de conductores (5) está dispuesto alrededor del exterior de la unidad de reacción (1) para ser alimentados por un sistema de generación de corriente alterna (4) y colocados de forma que generen un campo magnético dentro de la unidad de reacción (1) al ser alimentado por el sistema de generación de corriente alterna (4).

El sistema de la presente invención también incluye (véase figura 1) un sistema de alimentación de gas (8) configurado para introducir gas en la unidad de reacción (1), un sistema de condensación (9) conectado con la salida de productos (7), un tanque de gases (10) y una trampa fría (11) y estando estos dos últimos conectados al sistema de condensación (9).

Una vez descrito el sistema, a continuación, se detallará un modo de realización del método para la valorización de residuos plásticos mediante el uso del sistema reactor de la presente invención.

En primer lugar, la unidad de reacción es purgada, previamente al inicio de la reacción, por la corriente de gas inerte procedente del sistema de alimentación de gas (8), logrando una zona libre de oxígeno, lo que permite el tratamiento térmico de los residuos.

A continuación, se inicia el calentamiento por inducción mediante la generación de un campo magnético alterno en el interior de la unidad de reacción (1) para calentar la estructura metálica tipo enrejado (2).

Posteriormente, se minimiza y homogeneiza el tamaño de los residuos plásticos a tratar, sin importar la forma de éstos, y se introducen residuos con tamaño homogéneo por la parte superior del reactor para que se depositen sobre la superficie estructura metálica tipo enrejado (2) y se lleva a cabo la reacción de pirólisis de dichos residuos.

Por último, los productos de la pirolisis y el craqueo se extraen a través de la salida de productos (7), y se dirigen un tratamiento posterior para la purificación de la corriente resultante del método de valorización. En este sentido, la cera y/o los productos líquidos (C<5>-C<40>) obtenidos pueden ser condensados y recogidos en una trampa fría (11), mientras que los gases (hidrocarburos ligeros C<1>-C<4>) son recogidos en tanques de gases (10).

En otro modo de realización se emplean catalizadores, los cuales se depositan sobre una estructura metálica tipo enrejado antes de introducir los residuos plásticos. En un modo preferente, la unidad de reacción (1) comprende dos estructuras metálica tipo enrejado (2) que actúan como soporte. En un primer soporte, situado en la parte superior de la unidad de reacción (1), se gasificarán los residuos plásticos introducidos en la unidad (pirólisis térmica) mientras que, en un segundo soporte, situado en una zona inferior al primero, se acomoda el catalizador donde tendrá lugar la pirólisis catalítica.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un sistema reactor para la valorización de residuos plásticos caracterizado porque comprende:

- una unidad de reacción (1) que comprende una entrada de residuos (6) situada en la parte superior de dicha unidad, una salida de productos (7) situada en la parte inferior de dicha unidad y una cavidad interna en la que se aloja al menos una estructura metálica tipo enrejado (2) que actúa como susceptor magnético y al menos un sistema de sujeción (3) que forma parte de la estructura interna del reactor acoplado a las paredes configurado para sostener la estructura metálica tipo enrejado (2);

-un sistema de conductores (5) configurado para ser alimentado por un sistema de generación de corriente alterna (4) y situados de forma que generen un campo magnético dentro de la unidad de reacción (1) al ser alimentado por el sistema de generación de corriente alterna (4), en donde este sistema de conductores (5) está en un emplazamiento a elegir entre alrededor de la estructura metálica tipo enrejado (2) o alrededor de la unidad de reacción (1);

- un sistema de condensación (9) conectado con la salida de productos (7); y

- un sistema de alimentación de gas (8) situado en la parte superior de la unidad de reacción (1) y configurado para introducir gas inerte en la unidad de reacción para desplazar el oxígeno.

2. El sistema reactor de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el sistema de generación de corriente alterna (4) está configurado para proporcionar una frecuencia de entre 10 y 1.000 kHz.

3. El sistema reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde la temperatura que alcanza la unidad de reacción (1) es entre 200 y 800°C.

4. El sistema reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la estructura metálica tipo enrejado (2) está fabricada de un material seleccionado de acero, acero inoxidable, aleaciones de aluminio o aleaciones de titanio.

5. El sistema reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el sistema reactor comprende adicionalmente una trampa fría (10) y un tanque de gases (11) conectados al sistema de condensación (9).

6. El sistema reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el gas introducido a través del sistema de alimentación de gas (8) se selecciona de entre nitrógeno, argón, helio, hidrógeno, vapor de agua o dióxido de carbono.

7. Un método para la valorización de residuos plásticos mediante el uso del sistema reactor de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el método comprende las siguientes etapas:

a) generar un campo magnético alterno en el interior de la unidad de reacción (1) para calentar al menos una estructura metálica tipo enrejado (2);

b) introducir los residuos por la entrada de residuos plásticos (6) para que se lleve a cabo el proceso de pirólisis de dichos residuos; y

c) extraer los productos resultantes a través de la salida de productos (7).

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, en donde en la etapa b) adicionalmente se deposita un catalizador sobre al menos una de las estructura metálicas tipo enrejado (2) antes de introducir los residuos plásticos.

9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, en donde los productos resultantes se seleccionan de hidrocarburos ligeros C<1>-C<4>, ceras, hidrocarburos C<5>-C<40>o mezclas de los anteriores y un residuo sólido de coque.