MX2011003823A - Sistema de control de presion y temperatura de al menos un reactor quimico. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un nuevo sistema de control de temperatura y presión de, al menos, un reactor químico, caracterizado por comprender, al menos, los siguientes dispositivos: a) un depósito con al menos un dispositivo de regulación de presión; b) un conducto de unión entre dicho depósito y el reactor; c) un dispositivo de inyección de condensados al reactor. Asimismo, la invención se refiere al uso de dicho sistema de control para el control de la presión y temperatura de al menos un reactor químico, siendo de especial aplicación para un reactor químico en el que tenga lugar una reacción de carbonización hidrotermal de biomasa.

Description

Sistema de control de presión y temperatura de al menos un reactor químico Campo Técnico El ámbito de la presente invención es un nuevo sistema de control de presión y temperatura de un reactor o de un conjunto de reactores químicos que contienen en su interior una solución acuosa a una temperatura cercana a su temperatura de evaporación a la presión del proceso. Dicho sistema de control se basa, fundamentalmente, en un conjunto de equipos en los cuales el propio agua de proceso es utilizada para la refrigeración y estabilización de la temperatura a lo largo del reactor o conjunto de reactores del sistema.

Asimismo, una realización preferente de esta invención se encuentra dirigida al proceso de carbonización hidrotermal, en adelante proceso HTC (del inglés, Hydrothermal Carbonization) .

Estado de la técnica anterior a la invención En los últimos años, debido a la necesidad creciente de satisfacer la demanda energética de los países industrializados, numerosos estudios han sido desarrollados dirigidos al fomento de nuevas fuentes de energía, de naturaleza renovable, con objeto de disminuir los efectos ambientales adversos asociados al continuo desarrollo industrial .

De entre estas fuentes de energía, una de las más estudiadas ha sido, sin duda, la biomasa. En general, se entiende por biomasa la fracción orgánica biodegradable presente en productos de orígenes diversos como, por ejemplo, residuos municipales o derivados de industrias agrícolas o forestales. Entre las principales alternativas que existen para su aprovechamiento energético cabe destacar su utilización como materia de partida para la elaboración de combustibles para el transporte, así como su uso como fuente de calor y electricidad.

Si bien han sido muchas las tecnologías desarrolladas en este campo en los últimos años, recientemente el equipo del Profesor Markus Antonietti del Instituto Max Planck ha presentado un nuevo método de aprovechamiento de la biomasa, de gran eficacia, basado en la carbonización hidrotermal de la misma (Elton Jacquot, J. , "Back in Black: Using hydrothermal Carbonization to clean Emissions", 2007, Science&Technology) . Este proceso HTC consiste, básicamente, en someter a una solución acuosa de biomasa, en presencia de un catalizador, a temperaturas de unos 180°C a 210°C y a presiones de 10 a 19 bar obteniéndose, al cabo de unas 4 a 24h, un producto de estructura similar al carbón. Una vez activado, es un proceso espontáneo y exotérmico que libera, aprovechando la alta estabilidad termodinámica del agua, hasta un tercio de la energía almacenada en la biomasa en forma de carbohidratos .

Su principal ventaja, frente a otros métodos anteriormente descritos en la bibliografía, es su gran sencillez. Al contrario que en otros procesos de carbonización, en los cuales es necesario llevar a cabo una etapa de alto consumo energético para el acondicionamiento y •secado previo de la biomasa (WO 2003/002690), la carbonización hidrotérmica permite la utilización como materia prima de biomasa húmeda, lo cual supone un importante ahorro en los costes de operación.

Ya en el año 1943, en ES 0160612, se describía un proceso de carbonización de la biomasa en presencia de agua, en el cual la biomasa, en este caso residuos vegetales, era colocada en unas retortas previamente humedecidas a las que se inyectaba vapor recalentado hasta alcanzar temperaturas de 180°C a 220°C y presiones de 2 a 10 atm. Este proceso se prolongaba de unas 6 a 20h hasta alcanzarse las condiciones deseadas del producto final, siendo su principal inconveniente, frente a la presente invención, la necesidad del mismo de operar de manera discontinua.

Años más tarde, en US 4579562, se presentaba una nueva alternativa para llevar a cabo el proceso de carbonización. En este caso, la reacción se llevaba a cabo en continuo, en un reactor de flujo en contracorriente, en el cual el sólido entraba en contacto con un líquido a temperaturas de 204°C a 343°C y presiones suficientemente elevadas como para impedir la ebullición del agua.

A diferencia del sistema anterior, en JP 2002/059118, la biomasa es introducida en un autoclave donde es sometida a un tratamiento a presión y altas temperaturas, en presencia de agua. Una vez transcurrido el tiempo requerido para su transformación, el reactor se deja enfriar y es abierto para extraer el producto final de la reacción.

Una característica común a todos los métodos anteriormente descritos es la importancia de trabajar bajo unas condiciones estables y adecuadas de operación.

Por ello, la presente invención se dirige principalmente a un nuevo sistema de control de la presión y temperatura de un reactor o de un conjunto de reactores químicos basado, fundamentalmente, en un conjunto de equipos en los cuales el propio agua de proceso es utilizada para la refrigeración del. sistema. Mediante este sistema, de gran sencillez, es posible controlar la temperatura y presión del reactor o reactores sin necesidad de utilizar dispositivos móviles o superficies de intercambio de calor en su interior, los cuales presentan a menudo el inconveniente de acumular depósitos indeseados en su superficie al cabo de un cierto tiempo de operación. La eliminación de dichos dispositivos móviles supondrá un ahorro importante en cuanto al coste y el tiempo requeridos para su limpieza y mantenimiento.

De manera adicional, el hecho de disponer de superficies de intercambio de calor en el interior del reactor o reactores del sistema implica el que se generen gradientes de temperatura entre el refrigerante y el medio de reacción, dificultando de ese modo el control de la temperatura del proceso. La presente invención permite dar solución a este problema, gracias a la utilización del propio agua de proceso para disminuir la temperatura del reactor o reactores, logrando asi mantener uniforme la temperatura de la solución acuosa de su interior. Además, al ofrecer la posibilidad de aprovechar el calor latente de evaporación del agua, permite lograr una gran capacidad de refrigeración del sistema, así como una buena estabilidad de las condiciones requeridas de presión y temperatura.

Por otra parte, una ventaja adicional de la presente invención es la posibilidad que presenta de recuperar parte de la entalpia del vapor generado durante la reacción, preferentemente mediante el uso de una turbina de vapor y/o mediante su condensación en un intercambiador de calor, pudiéndose aprovechar así el calor liberado en dicho equipo para su uso en otros procesos o aplicaciones térmicas.

Asimismo, una parte adicional del vapor generado podrá utilizarse para precalentar la materia prima alimentada al proceso, tanto mediante su inyección directa a dicha materia prima, como de manera indirecta a través de un intercambiador de calor.

Si bien el sistema de control presentado puede ser aplicado a diversos tipos de reactores y procesos, se encuentra preferentemente dirigido al proceso HTC, tanto si el mismo se lleva a cabo en reactores de tipo continuo, como si se desarrolla en reactores de tipo discontinuo. Será, por tanto, un objeto adicional de esta invención un sistema de control de presión y temperatura especialmente adecuado para su aplicación en un proceso de HTC, así como el uso de este sistema para el control de la presión y temperatura de un proceso de HTC.

Descripción de la invención La presente . invención se refiere a un sistema de control de temperatura y presión de al menos un reactor químico, caracterizado por comprender, al menos, los siguientes dispositivos: a) un depósito con al menos un dispositivo de regulación de presión (en adelante, depósito de regulación de presión) ; b) un conducto de unión entre el reactor o los reactores químicos y el depósito de regulación de presión; c) un dispositivo de inyección de condensados al reactor o reactores del sistema.

Gracias a estos dispositivos, es posible mantener el reactor o conjunto de reactores bajo unas condiciones adecuadas de presión y de temperatura durante todo el tiempo que dura el proceso.

El depósito de regulación de presión (a) consiste en un depósito (1) independiente del reactor que comprende al menos una entrada de gases y/o vapor (2) situada, de manera preferente, en la parte inferior del depósito, sumergida en la zona de condensados. Asimismo, el depósito comprende al menos una entrada (3) y, al menos, una salida (4) de condensados asi como, situada en su parte superior, al menos una salida de vapor y/o gases (5) con al menos un dispositivo de regulación de presión. Este dispositivo de regulación de presión consiste, en su realización preferente, en una válvula de regulación de presión, la cual se encarga de controlar la presión del depósito de manera continua, en función del valor indicado por un sensor de presión ubicado en el mismo depósito o en su conducto de salida. Asi, la presión de dicho dispositivo de regulación de presión se ajustará en función de la presión requerida para el proceso y, a su vez, su valor de consigna se ajustará al valor resultante de restar a dicha presión requerida para el proceso, la presión de la columna de agua correspondiente al nivel de condensados del interior del depósito de regulación de presión. Este valor de consigna podrá ajustase electrónicamente, en el caso de incorporar un regulador electrónico, o bien de manera manual, en él caso de tratarse de un dispositivo mecánico.

De manera adicional, en una realización preferente del depósito, éste estará equipado, en su parte superior, con al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una válvula adicional de regulación de presión, una sonda de presión, una sonda de temperatura, una sonda de nivel, un desaireador, un rompedor de vacio y una válvula de seguridad, asi como cualquier combinación de los anteriores. Asimismo, podrá disponer, en la zona de condensados, de una sonda adicional de temperatura.

Una vez se alcanza el valor de consigna de la válvula de regulación de presión, dicha válvula comienza poco a poco a abrirse dejando paso al vapor y/o gases acumulados en el interior del depósito (1) . De este modo, se consigue mantener siempre un valor estable de presión, comprendido dentro del intervalo de control de la válvula de regulación. Por otra parte, y como consecuencia de la apertura de la válvula, se produce un gradiente de presión entre el reactor o reactores y el depósito de regulación de presión (1), favoreciéndose de este modo el flujo de vapor y/o gases entre estos equipos a través de su conducto de unión (13) .

Tras la evacuación del vapor y/o gases del depósito (1) a través de su válvula de regulación, estos son dirigidos a continuación a, al menos, un equipo de recuperación de vapor, preferentemente, a uno o varios condensadores (6) y (7), los cuales están diseñados para trabajar a una temperatura suficientemente inferior a la del proceso. En una realización preferida en la que le proceso consista en el proceso HTC, la temperatura en el condensador o condensadores será como mínimo 20°C y, preferentemente, 50°C inferior a la temperatura del proceso.

Opcionalmente, de manera previa a la etapa de condensación, podrá utilizarse a su vez al menos una turbina de vapor (8) para aprovechar parte de la entalpia del vapor y/o gases generados durante el proceso en la generación de energía eléctrica. En este caso, la temperatura de operación del condensador o condensadores será lo más próxima posible a la temperatura ambiente, lográndose así un mejor rendimiento de la turbina o turbinas de vapor.

Asimismo, en una realización preferente de la invención aplicada al proceso HTC, parte del excedente de vapor generado durante la reacción podrá ser utilizado en la fase inicial de calentamiento del proceso. Así, en una realización particular en la que el proceso HTC se lleve a cabo de manera discontinua en múltiples reactores tipo autoclave, el vapor será inyectado directamente y de manera preferente en aquel reactor que se encuentre en su fase inicial de calentamiento. Si, de otra forma, el proceso se llevase a cabo de manera continua, el vapor podrá aprovecharse para el calentamiento de la mezcla acuosa de biomasa alimentada al reactor, preferentemente, a través de una superficie de intercambio de calor .

Por otra parte, durante el proceso químico de reacción, es posible que se desprendan de manera adicional al vapor de agua, otros gases de proceso como, por ejemplo, metano y/o C02. Debido a que la temperatura de condensación de estos gases es muy inferior a la temperatura de condensación del vapor de agua, una acumulación de los mismos puede tener efectos negativos en el funcionamiento del condensador (es ) , así como del intercambiador (es ) de calor. Por tanto, con objeto de evitar una posible disminución en la capacidad térmica de dichos equipos, estos serán equipados con al menos un dispositivo de evacuación de aire y gases.

Tras la etapa de condensación, el vapor condensado se dirige a, al menos, un depósito de almacenamiento (9), presurizado o atmosférico, desde donde los condensados son transportados y reinyectados al depósito de regulación de presión (1) en el momento en que en éste se alcanza el nivel mínimo predeterminado de dichos condensados. Por el contrario, en el caso de superarse su nivel máximo, se procederá a la evacuación de los mismos, a través de una válvula de purga de condensados, hasta lograr de nuevo un valor que se encuentre dentro del intervalo de nivel que haya sido establecido. De esta forma, se conseguirá mantener siempre el volumen de condensados del depósito entre un nivel mínimo y un nivel máximo, aproximadamente entre un 50 y un 90% y, de manera preferente, entre un 60 y un 80% de su volumen total.

Uno de los objetos principales del depósito de regulación de presión presentado (1) será, precisamente, el control de la presión del reactor - o reactores de la instalación (10), (11) y (12), con los cuales se comunica a través del conducto de unión (b) . Este conducto de unión (13) será diseñado de manera que posea el tamaño suficiente para evacuar la máxima cantidad de gases y/o vapor de agua desde la parte superior del reactor o reactores hacia el depósito de regulación de presión (1) .

A su vez, en una realización particular de la invención, dicho conducto de unión (13) estará equipado, de manera adicional, con al menos una válvula de corte diseñada para abrirse lentamente una vez se haya alcanzado la presión mínima requerida para el proceso. Dicha válvula puede suponer un ahorro considerable de la energía consumida en el sistema al permitir la utilización de parte del vapor generado para facilitar el arranque del proceso llevado a cabo en un único equipo de reacción.

En el caso de tratarse de un conjunto de reactores conectados a un único depósito de regulación de presión (1), será necesario disponer de una válvula de corte entre cada reactor y dicho depósito de regulación (1), de manera que sea posible la desconexión individual de cada uno de ellos.

Una vez el flujo de vapor saturado y/o gases procedentes del reactor o reactores alcanza el depósito de regulación de presión (1) y debido a que la desembocadura del conducto de entrada al depósito se encuentra, preferentemente, sumergida en la zona de condensados, se produce un efecto de calentamiento de dichos condensados siempre y cuando estos se encuentren a una temperatura inferior a la del vapor y/o gases de entrada y exista por tanto un gradiente de temperaturas entre ambas fases. De esta forma, se consigue alcanzar en el interior del depósito (1) una temperatura aproximadamente estable, lo más cercana posible a las condiciones de temperatura del proceso. En el caso concreto del proceso HTC, esta temperatura estará comprendida entre 170°C y 230°C, preferentemente entre 179,8 y 219, 6°C y más preferentemente entre 191,6 y 209, 8°C, favoreciéndose asi la continuidad de la carbonización al evitarse interrupciones indeseadas en el proceso como consecuencia de la necesidad de ajuste de la temperatura inferior del agua inyectada al reactor .

Por su parte, la inyección al reactor o reactores de los condensados procedentes del depósito de regulación (1) se lleva a cabo a través del dispositivo de inyección de condensados (c) , situado alrededor de la pared lateral y en la parte inferior de cada reactor. Este dispositivo de inyección puede comprender una o más bocas de inyección, a través de las cuales se introducen, en distintos puntos del equipo, los condensados procedentes del depósito de regulación de presión (1) · La cantidad de condensados alimentada al reactor o reactores será función del control de nivel del propio reactor (es), siendo por lo menos la necesaria para mantener una cantidad estable de solución acuosa en su interior.

Asimismo, en una realización preferente de la invención, el reactor o reactores se encontrará equipado además, en su parte superior, con al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una válvula de seguridad, una sonda de presión, una sonda de temperatura, una sonda de nivel de llenado, un eliminador de aire y gases y un rompedor de vacio, asi como cualquier combinación de los anteriores. Del mismo modo, para controlar la temperatura del proceso y evitar pérdidas indeseadas de calor hacia el ambiente, el reactor o conjunto de reactores (10), (11) y (12), el conducto de unión (13) y el depósito de regulación de presión (1) se encontrarán aislados térmicamente del exterior, preferentemente mediante lana de roca y chapa de aluminio.

Por último, en la parte lateral y/o inferior del reactor o reactores se dispone de un dispositivo de inyección de vapor (14), el cual consta de una o más entradas para llevar a cabo la inyección de vapor al reactor o reactores, preferentemente, durante su arranque en frío. El vapor utilizado puede proceder tanto de una fuente externa, preferentemente una caldera de vapor (15), como del mismo depósito de regulación de presión (1) en caso de que el sistema se encuentre funcionando en régimen nominal y el depósito esté siendo alimentado por otros reactores de forma que su presión sea superior a la del reactor en fase de arranque. En el caso concreto del proceso HTC, la cantidad inyectada será la necesaria para alcanzar una temperatura de, al menos, 170°C, preferentemente, 180°C y, más preferentemente, de al menos 195°C.

Breve descripción de las figuras La figura 1 muestra un diagrama del sistema de control y presión aplicado a un conjunto de reactores.

La figura 2 representa la aplicación del sistema de control de temperatura y presión a un reactor en funcionamiento continuo del proceso HTC.

Lista de referencias utilizadas en las figuras Figura 1 1. Depósito de regulación de presión 2. Entrada de gases y/o vapor 3. Entrada de condensados 4. Salida de condensados 5. Salida de vapor y/o gases 6. Condensador 1 7. Condensador 2 8. Turbina de vapor 9. Depósito de almacenamiento de condensados 1 10. Reactor 1 11. Reactor 2 12. Reactor 3 13. Conducto de unión entre el reactor y el equipo de regulación de presión 14. Dispositivo de inyección de vapor 15'. Caldera de vapor 1 Corrientes A. Fluido refrigerante Figura 2 16. Mezcla acuosa de biomasa y catalizador 17. Equipo de precalentamiento 18. Reactor vertical 19. Caldera de vapor 2 20. Inyector de vapor 21. Depósito de regulación de presión 2 22. Inyector de condensados 1 23. Inyector de condensados 2 24. Inyector de condensados 3 25. Condensador 3 26. Depósito de almacenamiento de condensados 2 27. Producto final Realización preferente de la invención Seguidamente, se presenta de manera detallada la descripción de una realización preferida de la invención, dirigida de manera particular al control de las condiciones de operación de un proceso de HTC, haciendo referencia a la numeración adoptada en la figura 2.

En el caso de la aplicación del sistema de control de presión y temperatura anteriormente descrito a un proceso de HTC, dicho sistema comprenderá de manera adicional, al menos uno de los siguientes equipos: • un equipo de presurización; • un equipo de precalentamiento; « un reactor vertical con inversión de flujo; • un equipo de enfriamiento y • un equipo de despresurización El equipo de presurización consiste en un dispositivo para comprimir la mezcla de, al menos, biomasa, catalizador y agua de proceso (16), hasta alcanzar la presión necesaria para, por un lado, superar la presión en el interior del reactor y la contrapresión creada en la tubería de aporte al reactor y, por otro lado, evitar el retroceso del material y posibles fugas del agua de proceso. Este equipo consiste, de manera preferente, en al menos una válvula de compuertas y/o una bomba de presión y, de manera más preferente, en al menos una bomba tipo pistón o membrana, diseñada para trabajar tanto en continuo como a intervalos cortos de tiempo, permitiendo de ese modo llevar a cabo la operación de carbonización de manera continua.

Por su parte, el equipo de precalentamiento (17) consiste en al menos un intercambiador de calor, preferentemente un tubo presurizado de doble pared, en cuya parte interior se transporta la mezcla de, al menos, biomasa, catalizador y agua de proceso y, en la parte exterior, el fluido para el aporte de calor. Este fluido consistirá, preferentemente, en aceite térmico, agua o vapor de agua, más preferentemente, en vapor de agua.

Opcionalmente, tal y como se indicó anteriormente, existe la posibilidad de inyectar directamente vapor a la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a una presión superior a la del propio tubo de precalentamiento y, por lo tanto, superior a la presión del proceso. La fuente de dicho vapor puede ser tanto una fuente externa, preferentemente una caldera (19), como el vapor del propio proceso alimentado a través de un compresor .

Por otra parte, la velocidad de transporte de la mezcla de biomasa y agua de proceso a lo largo del tubo de precalentamiento se encuentra controlada por el equipo de presurización y su diámetro está diseñado de tal forma que el tiempo de permanencia de la mezcla en el mismo es de unos 20 a 60 minutos, preferentemente de 30 a 40 minutos, y la temperatura resultante a su salida, asciende, al menos, a 170°C, preferentemente a más de 175°C y, más preferentemente, a más de 180°C.

Respecto al reactor del sistema (18), dicho reactor consiste preferentemente en un depósito presurizado donde tiene lugar parte o la totalidad del proceso químico de carbonización. Dicho reactor se caracteriza por permitir un aporte continuo o a intervalos regulares de biomasa, asi como una extracción continua, o a intervalos regulares, de la materia transformada sin que, por otra parte, se modifique la temperatura ni la presión de su interior. A su vez, el reactor consta de, al menos, cuatro zonas diferentes: un tubo de ascenso, una zona de gases, una zona de polimerización y una zona de maduración: i. El tubo de ascenso es la prolongación del tubo de precalentamiento y ocupa la zona central del reactor desde el fondo hasta, aproximadamente, de un 50 a un 80% de la altura del reactor, preferentemente de un 60 a un A su vez, el reactor dispone de un tubo, en su parte superior, que le permite comunicarse con el depósito de regulación de presión (21), depósito mediante el cual se controla la presión del reactor. A través de este tubo de unión se consigue evacuar el vapor generado por el carácter exotérmico del proceso dé HTC, junto con el aire disuelto en el agua de proceso o los gases desprendidos por la descomposición de la biomasa.

Adicionalmente, el reactor puede estar equipado, en su parte superior, con al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una válvula de seguridad, una sonda de presión, una sonda de temperatura, una sonda de nivel de llenado, un eliminador de aire y gases y un rompedor de vacio, asi como cualquier combinación de los anteriores .

Alrededor de la desembocadura del tubo de ascenso y en la mitad superior del reactor, se encuentra la zona de polimerización. El tiempo de permanencia de la biomasa en esta zona depende únicamente de su densidad y actividad térmica y, por lo tanto, del estado de progreso del proceso de HTC. De esta forma, se permite una cierta variación para los distintos compuestos de la mezcla, los cuales, pasado este tiempo, descenderán hacia la zona de maduración .

La zona de maduración se encuentra situada en la parte baja del reactor cilindrico, a continuación de la zona de polimerización y alrededor del tubo de ascenso. Opcionalmente, podría ubicarse también en zonas exteriores del reactor, en caso de facilitarse las mismas condiciones de estabilidad térmica que en dicho equipo, vi. A su vez, en el · lateral y en la parte inferior del reactor y del tubo de ascenso, se encuentran ubicadas una o varias entradas para llevar a cabo la inyección de vapor (20) durante su arranque en frío o en caso de posibles deficiencias térmicas en su interior, vii. También se encuentran distribuidas, sobre la pared lateral del reactor, una o varias entradas para la inyección de condensados. El aporte de los mismos tiene como objeto homogeneizar la temperatura del reactor, así como compensar el agua evaporada debido al carácter exotérmico del proceso HTC. viii. Del mismo modo, para controlar la temperatura de operación y evitar pérdidas incontroladas de calor hacia el exterior, el reactor se encontrará aislado térmicamente, preferentemente mediante lana de roca y acabado exterior de chapa de aluminio.

Tras el reactor se encuentra ubicado el equipo de enfriamiento, el cual comprende, preferentemente, uno o varios tubos en paralelo que contienen en su interior la mezcla caliente y presurizada proveniente del reactor y, en su exterior, un fluido refrigerante que puede ser aceite térmico o agua presurizada, preferentemente aceite térmico, que se encarga de enfriar dicha mezcla hasta la temperatura fijada como objetivo.

Finalmente, se halla situado el equipo de despresurización. Este equipo comprende, de manera preferente, dos compuertas o válvulas dispuestas en serie, las cuales han de ser aptas para operar en las condiciones a las que se lleva a cabo el proceso. Adicionalmente, podrá situarse un depósito 'flash', en medio de las dos compuertas o válvulas, con el objeto de absorber- mejor los golpes de apertura de las mismas.

Es, asimismo, un objeto adicional de esta invención el uso de un sistema de control de presión y . temperatura según ha sido anteriormente descrito para el control de un reactor donde se lleva a cabo un proceso de HTC.

Por último, será un objeto adicional de la invención, un método de control de presión y temperatura de un reactor donde se lleva a cabo un proceso de HTC, caracterizado por comprender al menos las siguientes etapas: a) la presurización de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una presión de, al menos, 10 bar; b) el precalentamiento de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador, con objeto de alcanzar una temperatura de entre 170°C a 210°C; c) la alimentación de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido (20) donde tiene lugar el proceso de carbonización; d) el enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, en un tubo de enfriamiento hasta valores inferiores a la temperatura de evaporación a presión atmosférica, es decir, inferiores a 100°C; e) la despresurización y extracción de la mezcla acuosa de biomasa carbonizada.

De manera adicional, este método podrá comprender asimismo una etapa de pretratamiento de la biomasa, previa a su alimentación al sistema, con el objeto de lograr unas condiciones adecuadas para su procesamiento además de facilitar el proceso posterior de carbonización. En concreto, una realización preferente de esta fase adicional de pretratamiento comprenderá, al menos, una etapa de triturado y una etapa de lavado de la biomasa: a) En la primera etapa, la biomasa será triturada hasta conseguir un , tamaño máximo de partícula que permita su paso posterior por el equipo de presurización. En el caso de tratarse, por ejemplo, de biomasa procedente de explotaciones agrarias o forestales, el tamaño final será inferior a 30 cm y, preferentemente, inferior a 15 cm; b) a continuación, con objeto de eliminar los contaminantes presentes en la biomasa, como pueden ser arenas, piedras, cristales, metales u otros elementos de mayor densidad que el agua, la biomasa será introducida en una piscina de lavado con agua, o una mezcla de agua con ácido, durante un tiempo de 5 a 120 minutos, preferentemente de 10 a 30 minutos. Mediante este lavado, los contaminantes serán separados de la biomasa y descenderán hasta el fondo de la piscina, mientras que la biomasa quedará flotando en la superficie hasta incrementar su densidad por encima de la del agua debido a la absorción de la misma. Otros contaminantes no aptos para el proceso HTC, como son los plásticos, y con tendencia a flotar también sobre el agua, habrán de eliminarse mediante otros procesos de selección y separación, tanto de manera natural, como a través de centrífugas o sistemas de aire a presión.

Tras esta etapa previa de pretratamiento, la biomasa será almacenada en una tolva o recipiente desde donde se alimentará al proceso HTC. Una ventaja de este proceso es que es aplicable a cualquier tipo de biomasa, pudiendo consistir, por ejemplo, en residuos forestales, agrícolas, de jardinería, lodos de depuradora, algas, residuos de industrias agrícolas, residuos urbanos, etc. En el caso de que la biomasa consista en lodos de depuradora o residuos domésticos previamente seleccionados, esta etapa de pretratamiento no es necesaria, por lo que la biomasa puede ser alimentada directamente al proceso HTC.

Dicho . proceso comienza con la mezcla de la biomasa seleccionada como materia prima con una cierta cantidad de agua de proceso. Dicha mezcla contendrá, además, al menos un medio de aceleración de la reacción química, el cual puede ser un catalizador orgánico o inorgánico, preferentemente un ácido y más preferentemente ácido cítrico o ácido sulfúrico. En dicho caso, el ácido es añadido en una cantidad suficiente para obtener un pH en el interior del reactor de entre 4,5 y 6,5, preferentemente, entre 5 y 6.

Esta mezcla acuosa de biomasa y catalizador es entonces sometida a una etapa de presurización hasta una presión que es, al menos, la necesaria para poder introducirla al tubo de precalentamiento (17) y, desde allí, al reactor. Esta presión será superior a 10 bar y, de manera preferente, superior a 13 bar. A continuación, la mezcla acuosa de biomasa y catalizador es precalentada, con objeto de alcanzar la temperatura de inicio del proceso de HTC en su fase de monomerización . Esta etapa de precalentamiento puede llevarse a cabo en un intercambiador de calor, preferentemente un tubo de precalentamiento (17), en el cual la mezcla será calentada gracias al aporte de calor que reciba a través de las paredes de la tubería, hasta alcanzar temperaturas de 170°C a 210°C, más preferentemente de 180°C a 200°C. De manera adicional, como alternativa o complemento al intercambio indirecto de calor llevado a cabo en el tubo de precalentamiento, existe la posibilidad de inyectar directamente vapor a la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a una presión superior a la del propio tubo de precalentamiento, hasta alcanzarse las temperaturas previamente mencionadas. Una vez alcanzadas dichas temperaturas, la mezcla acuosa de biomasa y catalizador es alimentada a un reactor vertical de flujo invertido (20) a través de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerización o hidrólisis de la biomasa. Al mismo tiempo, comienza la formación de aceites, asi como el desprendimiento de gases, como por ejemplo metano o C02, procedentes de la descomposición natural de la biomasa. Estos gases ascienden a continuación por el interior del tubo de ascenso hasta acumularse en la parte superior del reactor, desde donde son evacuados, conjuntamente con el vapor saturado, hacia el depósito de control de presión. En condiciones normales, el reactor es alimentado con la mezcla de biomasa y agua de proceso hasta alcanzar de un 60% a un 90%, preferentemente, de un 70% a un 80%, del volumen del reactor. Aunque la densidad de la biomasa puede variar y ser menor o mayor que la del agua, una vez iniciada la etapa de monomerización, los componentes derivados de la misma tienden a ascender y a flotar sobre la superficie. Este efecto permite a dichos compuestos mantenerse cerca de la linea de flotación, una vez han alcanzado la desembocadura del tubo de ascenso.

De esta forma, y en condiciones normales, a la salida de este conducto el proceso de HTC ya ha comenzado, y los componentes resultantes de la primera fase de monomerización entran en una segunda etapa, de polimerización. En esta nueva fase, los aceites y otros componentes que se hayan formado durante la monomerización, polimerizan y forman una especie de resina o estado previo de carbón. Según el tipo de biomasa y las condiciones del proceso, esta fase tiene una duración de entre 1 y 6 horas, preferentemente entre 2 y 4 horas.

Por otra parte, al tratarse de un proceso de naturaleza exotérmica, es importante controlar las condiciones de presión y temperatura, preferentemente dentro de los limites de proceso establecidos por el Max Planck Institut. En concreto, el intervalo de temperaturas preferente ha de estar comprendido entre 170°C y 230°C, preferentemente entre 179,9 y 219, 6°C y más preferentemente entre 191,6 y 209, 8°C; mientras que, en el caso de la presión, el intervalo de preferencia ha de ser de 8 a 28 bar de presión absoluta, preferentemente de 10 a 23 bar, y más preferentemente entre 13 y 19 bar. Estos valores serán función tanto del tipo de biomasa, como del producto que se quiera obtener.

El motivo por el que es necesario conseguir un buen control de las condiciones de proceso es el evitar alcanzar temperaturas excesivas de operación a las cuales pueden surgir procesos químicos adicionales al de HTC que pueden dar lugar a, por ejemplo, un exceso de C02, el cual, en caso de no ser evacuado adecuadamente, podría a su vez provocar una subida indeseada de la presión del interior del reactor.

Según avanza el proceso de HTC, la densidad de los compuestos sólidos formados va aumentando mientras que, al mismo tiempo, la actividad térmica va disminuyendo. Como consecuencia de estos efectos se produce un descenso de los compuestos, dentro del agua de proceso, hacia la zona de maduración.

Al inicio de esta tercera fase, las principales formaciones de carbono ya se han desarrollado, aunque todavía se pueden desprender moléculas de H20 de las estructuras de carbono formadas. Al cabo de unas 2 a 12 horas, dependiendo del tipo de biomasa y de las condiciones de proceso, la actividad térmica habrá descendido prácticamente a cero.

Una vez finalizado el proceso de carbonización la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, es dirigida a un tubo de enfriamiento, en el cual su temperatura es reducida hasta valores inferiores a la temperatura de evaporación a presión atmosférica, es decir, inferiores a 100°C. De esta forma, se evitan posibles evaporaciones instantáneas en el equipo de despresurización, situado a continuación, a través del cual se extrae, de manera controlada, la mezcla acuosa de biomasa carbonizada. Al cabo de un cierto tiempo, las partículas sólidas de dicha mezcla se depositarán en el fondo del recipiente de salida o bien serán separadas de la fase líquida mediante una operación mecánica de separación, preferentemente mediante centrifugación o filtración, pudiéndose aprovechar en. función de su pureza como combustible sólido o bien como materia prima para otros procesos.

En una realización particular de la invención el carbón se utilizará como combustible sólido, de manera preferente, comprimido en forma de pellets o briquetas. Como alternativa, el carbón obtenido podrá ser utilizado como materia prima de otros procesos industriales, preferentemente, en la elaboración combustible liquido de hidrocarburos. Por último, existe también la posibilidad de recortar el tiempo necesario para la maduración. En este caso, el producto final será una especie de turba que podrá ser utilizada como fertilizante.

Finalmente, en una realización preferida de la invención, parte del calor desprendido en la etapa de enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, resultante del proceso de carbonización hidrotérmica podrá ser recuperado en al menos una de las etapas demandantes de calor del sistema, preferentemente, en la etapa de precalentamiento de la mezcla de biomasa, catalizador y agua de proceso alimentada al sistema, etapa que se lleva a cabo-, de manera preferida, en el equipo de precalentamiento (17) descrito previamente.

Ejemplo 1 A continuación se recoge, a modo de ejemplo y con carácter no limitante, la aplicación del sistema de control de presión y temperatura al proceso de HTC anteriormente descrito, de acuerdo a la numeración adoptada en las figuras: De este modo, una mezcla acuosa de biomasa, a la que se añade un catalizador como por ejemplo, ácido cítrico o ácido sulfúrico, ajusfando su concentración hasta conseguir un valor de pH de 5,5 (16) es alimentada a un reactor vertical de funcionamiento continuo (18), una vez ha sido precalentada en el tubo de precalentamiento (17) hasta una temperatura de unos 180°C.

A continuación, durante el arranque en frío del proceso, una cierta cantidad de vapor a una temperatura de unos 195°C, es inyectada al reactor a través de las bocas de inyección (20) . Una vez se alcanza la temperatura y presión del proceso, aproximadamente unos 191°C y 13 bar de presión, la carbonización entra en sus fases de monomerización y polimerización, y se inicia entonces una etapa de liberación de energía al medio de reacción por la naturaleza exotérmica del propio proceso. Como consecuencia de la generación de calor a nivel molecular de la biomasa, y debido a su contacto directo con el medio acuoso, parte del agua comienza a evaporar, ascendiendo por el interior del reactor, hasta acumularse en la parte superior del mismo. Desde allí será transportado al depósito de regulación de presión (21), junto con el resto de gases desprendidos durante el proceso, entre los que se encuentran, por ejemplo, metano, C02 o aire.

De este modo, según avanza el proceso, el vapor de agua generado va acumulándose, junto con el resto de gases, en la parte- superior del depósito de regulación (21). Como consecuencia de ello, la presión de su interior va poco a poco incrementándose hasta alcanzarse un valor de unos 13 bar, equivalente al valor de consigna de apertura de. la válvula de control de la que dispone el depósito (21) .

Una vez abierta la válvula, los gases, junto con el vapor de agua, son evacuados y enviados a un equipo condensador (25) , donde son enfriados hasta una temperatura de, aproximadamente, 90°C. Aquellos gases que no condensan a esta temperatura son evacuados al ambiente mediante el dispositivo de eliminación de aire y gases del cual dispone dicho equipo.

A su vez, parte del vapor generado, entre el 20% y el 50% en función de la dilución de la biomasa con agua, es aprovechado en el tubo de precalentamiento (17) para precalentar la mezcla acuosa de biomasa alimentada al reactor (18).

Tras la etapa de condensación, los condensados son enviados al depósito abierto de almacenamiento (26) , ocupando de un 20 a un 90% de su capacidad. Desde allí, serán reinyectados al depósito de regulación de presión (21), al alcanzarse en dicho equipo un nivel de condensados inferior a un 60% de su volumen.

Por otra parte, una cierta cantidad de estos condensados del depósito de regulación (21) serán alimentados al reactor (18), a una temperatura de unos 190°C, en caso de que en dicho equipo se alcance un volumen mínimo de aproximadamente un 70%. De este modo es posible recuperar parte del agua evaporada durante el proceso exotérmico de carbonización, al mismo tiempo que se consigue homogeneizar la temperatura en diferentes puntos del interior del reactor.

A su vez, gracias a este sistema de control, es posible llevar a cabo el proceso de manera continua y, al mismo tiempo, se logran mantener unas condiciones de presión y temperatura adecuadas y estables durante toda la operación sin necesidad de disponer de equipos adicionales móviles o de superficies de intercambio de calor en el interior del reactor.

Asimismo, y de manera adicional, esta realización preferida de la invención permitirá recuperar parte del calor desprendido en la etapa de enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, resultante del proceso de carbonización en la etapa de precalentamiento de la mezcla de biomasa, catalizador y agua de proceso alimentada al sistema, etapa que se lleva a cabo en el equipo de precalentamiento (17).

Claims (23)

Reivindicaciones

1. Sistema de control de temperatura y presión de, al menos, un reactor químico donde tiene lugar una reacción de carbonización hidrotermal de biomasa, caracterizado por comprender, al menos, los siguientes dispositivos: a) un depósito con al menos un dispositivo de regulación de presión; b) un conducto de unión entre dicho depósito y el reactor; c) un dispositivo de inyección de condensados al reactor.

2. Sistema de control, según la reivindicación 1, caracterizado por comprender además, al menos un sistema de recuperación de la entalpia del vapor y/o gases generados en el reactor.

3. Sistema de control, según la reivindicación 2, caracterizado porque el sistema de recuperación de la entalpia del vapor y/o gases generados en el reactor es una turbina.

4. Sistema de control de presión, según la reivindicación 1, caracterizado por comprender, además, al menos un equipo de refrigeración del vapor y/o gases generados en el reactor :

5. Sistema de control, según la reivindicación 4, caracterizado porque el equipo de ' refrigeración es un condensado .

6. Sistema de control, según la reivindicación 1, caracterizado por comprender, además, al menos un depósito de almacenamiento de condensados.

7. Sistema de control, según la reivindicación 1, caracterizado porque el depósito (a) comprende, además, al menos una entrada y al, menos, una salida de condensados, asi como al menos una salida de vapor y/o gases situada en la parte superior de dicho depósito.

8. Sistema de control, según la reivindicación 1, caracterizado porque el depósito (a)¦ comprende, además, al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una válvula de regulación de presión, una sonda de presión, una sonda de temperatura, una sonda de nivel, un desaireador, un rompedor de vacio y una válvula de seguridad, asi como cualquier combinación de los anteriores.

9. Sistema de control, según la reivindicación 1, caracterizado porque el conducto de unión (b) entre el reactor y el depósito (a) desemboca a dicho depósito por debajo de su superficie de condensados.

10. Sistema de control, según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende, además, un sistema de inyección de vapor al reactor.

11. Sistema de control, según la reivindicación caracterizado porque comprende, además, al menos dispositivo externo generador de vapor.

12. Sistema de control, según la reivindicación 11, caracterizado porque el dispositivo externo generador de vapor es una caldera o un compresor de vapor.

13. Sistema de control, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, de manera adicional, al menos uno de los siguientes equipos: a) un equipo de presurización; b) un equipo de precalentamiento; c) un reactor vertical con inversión de flujo; d) un equipo de enfriamiento y e) un equipo de despresurización

14. Uso de un sistema de control, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, para el control de la presión y temperatura de al menos un reactor químico.

15. Uso de un sistema de control, según la reivindicación 14, aplicado a un reactor vertical de flujo invertido, en el que los vapores¦ y gases generados se acumulan y evacúan por la parte superior del reactor.

16. Método de control de presión y temperatura caracterizado por llevarse a cabo en un sistema de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, y donde dicho método comprende las siguientes etapas: a) presurizar una mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una presión de, al menos, 10 bar; b) precalentar la mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una temperatura de entre 170°C a 210°C; c) alimentar la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido donde tiene una reacción de carbonización hidrotérmica dando lugar a una mezcla de biomasa carbonizada junto, al menos, agua de proceso; d) enfriar la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, en un tubo de enfriamiento hasta valores inferiores a su temperatura de evaporación a presión atmosférica; e) despresurizar y extraer la mezcla acuosa de biomasa carbonizada.

17. Método de control de presión y temperatura, de acuerdo a la reivindicación 16, donde dicho método comprende además una etapa adicional de pretratamiento de la biomasa.

18. Método de control de presión y temperatura, de acuerdo- a la reivindicación 17, donde dicha etapa de pretratamiento comprende, a su vez, al menos una etapa de triturado y al menos una etapa de lavado de la biomasa.

19. Método de control de presión y temperatura de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, donde dicho método comprende una etapa adicional de recuperación de- parte del calor desprendido en la etapa- (d) de enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso resultante del proceso de carbonización hidrotérmica en la etapa (b) de precalentamiento de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador alimentada al sistema.

20. Reactor vertical de flujo invertido de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, donde dicho reactor comprende en su interior un tubo de ascenso que ocupa la zona central del reactor desde el fondo hasta de un 50 a un 80% de la altura del reactor.

21. Reactor vertical de flujo invertido de acuerdo a la reivindicación 20, donde dicho reactor comprende asimismo al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en una válvula de seguridad, una sonda de presión, una sonda de temperatura, una sonda de nivel de llenado, un eliminador de aire y gases y un rompedor de vacio, asi como cualquier combinación de los anteriores.

22. Reactor vertical de flujo invertido de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 20 o 21, donde dicho reactor comprende a su vez en el lateral y en la parte inferior del mismo y del tubo de ascenso, al menos una entrada para la inyección de vapor.

23. Reactor vertical de flujo invertido de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 20, 21 o 22, donde dicho reactor comprende a su vez en el lateral, al menos una entrada para la inyección de condensados.