MX2012013249A - Proceso de remocion de oxido nitroso de una corriente de gas. - Google Patents

Proceso de remocion de oxido nitroso de una corriente de gas.

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MX2012013249A
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Abstract

Se describe un proceso de remoción de óxido nitroso de una corriente de gas que incluye una concentración contaminante de óxido nitroso para obtener una corriente de gas con una concentración significativamente menor de óxido nitroso. El proceso incluye el uso de un sistema del proceso con múltiples reactores de descomposición N20 cada uno de los cuales incluye un catalizador de descomposición de óxido nitroso y unidades de transferencia de calor cada una de las cuales incluye un medio de intercambio de calor que se conecta operativamente en un orden y disposición en particular para utilizar en el proceso. La corriente de gas se pasa al sistema de procesamiento que opera durante un período de tiempo en un modo de operación específico seguido de la de la detención de esta operación y la reversión del flujo del proceso. Estos pasos pueden repetirse para obtener una mayor eficiencia de recuperación energética para una eficiencia dada de remoción y destrucción de óxido nitroso.

Description

PROCESO DE REMOCION DE OXIDO NITROSO DE UNA CORRIENTE DE GAS Campo de la Invención La invención describe un proceso para remover óxido nitroso (N20) incluido a concentraciones contaminantes en una corriente de gas .
Antecedentes de la Invención El óxido nitroso (N20) conocido comúnmente como el gas de la risa, puede ser un producto resultante de la combustión de materiales que contienen carbono, como los hidrocarburos, y los compuestos con nitrógeno, como el amoníaco (NH3) . Otros productos de combustión incluyen los óxidos de nitrógeno del NO y del N02, los cuales pueden denominarse en general NOx. Se considera que el óxido nitroso produce un mayor efecto invernadero y calentamiento global que ciertos otros gases de efecto invernadero tales como el dióxido de carbono (C02) , por lo que sería deseable disponer de un proceso que permitiera remover, económicamente, las concentraciones contaminantes de óxido nitroso incluidas en los gases de combustión que se liberan en la atmósfera.
En las invenciones anteriores, en general hubo más interés en la disminución de los óxidos de nitrógeno incluidos en los gases de combustión, que en la disminución del óxido nitroso. Uno de los procesos utilizados para remover NOx de las corrientes gaseosas es el proceso de Re : 237012 reducción catalítica selectiva (SCR, por sus siglas en inglés). En la patente de US 7,294,321 se utiliza una versión de este proceso. En este proceso de reducción catalítica selectiva, se pone en contacto un gas de combustión con concentraciones de N0X y amoníaco (NH3) , que es comúnmente agregado al gas de combustión como reactivo, con un catalizador, que permite la reacción de reducción en la cual el N0X reacciona con amoníaco y oxígeno produciéndose nitrógeno y agua.
En la patente US 7,459,135 se describe un catalizador que se utiliza para la reducción catalítica del NOx. Este catalizador incluye un zeolita que contiene paladio, mientras que el zeolita también incluye escandio o itrio o un lantánido o sus combinaciones. Sin embargo, la patente US 7,459,135 no se refiere a la descomposición catalítica del óxido nitroso. Por otro lado, la patente de EUA US 6,143,262 describe el proceso de descomposición catalítica del óxido nitroso de un gas. En este proceso, se pone en contacto un gas que contiene óxido nitroso con un catalizador que incluye principalmente óxido de estaño, pero puede incluir también cobalto como co-catalizador .
En la patente de US 2008/044334 se describe otro proceso de descomposición catalítica del óxido nitroso. Esta publicación describe un catalizador que se utiliza en la descomposición catalítica del óxido nitroso (N20) para producir nitrógeno (N2) y oxígeno (02) . El catalizador descrito ampliamente en la US 2008/044334 es una zeolita que se cargó con un primer metal noble y con un segundo metal de transición. El primero de los metales se selecciona del grupo de rutenio (Ru) , rodio (Rh) , osmio (Os), e iridio (Ir), y el segundo metal se selecciona del grupo de hierro (Fe) , cobalto (Co) , y níquel (Ni) .
Debido a que el óxido nitroso es un gas de efecto invernadero con un potencial para el calentamiento global que es significativamente mayor a ciertos otros gases de efecto invernadero, es deseable disponer de un proceso para la remoción de óxido nitroso de las corrientes gaseosas con concentraciones elevadas de óxido nitroso y que se liberan en la atmósfera. También es deseable que este proceso permita la remoción del óxido nitroso de manera efectiva desde el punto de vista de los costos así como térmicamente eficiente.
Sumario de la Invención Por lo tanto, se describe un proceso para remover óxido nitroso (N20) a partir de una corriente de gas que contiene una concentración contaminante de óxido nitroso, en el que el proceso incluye pasar la corriente de gas de fuente por una zona de intercambio de calor que contiene material de intercambio de calor de gran capacidad calórica, transfiriéndose el calor desde el material de transferencia de hacia la corriente de gas para resultar en una corriente de gas calentada; pasar la corriente de gas calentada a una zona de reacción que contiene un catalizador de descomposición de N20 que permite descomponer el óxido nitroso y así se obtiene una corriente de gas con una menor concentración de óxido nitroso; pasar la corriente de gas con una segunda concentración menor de óxido nitroso a una segunda zona de reacción que contiene un segundo catalizador de descomposición de N20, descomponiéndose el óxido nitroso para dar una corriente de gas que contiene una concentración aún más reducida de óxido nitroso; y pasar la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso a una segunda zona de transferencia de calor que contiene un segundo material de transferencia de calor de una segunda elevada capacidad calorífica, transfiriéndose calor desde la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso hacia la segunda zona de transferencia de calor que resulta en una corriente de producto enfriado.
Breve Descripción de las Figuras La FIG. 1 es un diagrama esquemático del flujo del proceso y de la disposición del sistema del proceso de la invención para la remoción de óxido nitroso de una corriente de gas que contiene una concentración contaminante de óxido nitroso .
Descripción Detallada de la Invención El proceso de la invención es un método altamente eficiente desde el punto de vista energético para remover óxido nitroso de una corriente de gas que posee una concentración contaminante o elevada de óxido nitroso. El óxido nitroso es un gas de efecto invernadero, con un potencial para producir calentamiento global extremadamente elevado y que contribuye a la depleción de la capa de ozono de la atmósfera terrestre. El proceso de la invención permite, que una concentración dada de gas de efecto invernadero, por ejemplo, óxido nitroso, sea removida de una corriente de gas que contiene el óxido nitroso con baja demanda energética, y el proceso permite un alto porcentaje de remoción total de gas con efecto invernadero, incluyendo la remoción del óxido nitroso y del dióxido de carbono.
El óxido nitroso puede generarse durante la combustión de diversos tipos de materiales carbonados y compuestos con nitrógeno por diversos medios de combustión como incineradores, hornos, calderas, calentadores a fuego, motores de combustión y otros dispositivos de combustión. Los materiales carbonosos y los materiales con nitrógeno que pueden entrar en combustión, incluyen, por ejemplo, madera y otros materiales celulósicos, carbón, fueloil, y otros combustibles derivados del petróleo o de minerales, gas combustible y otros gases, y otros materiales carbonosos, y materiales con nitrógeno, como por ejemplo, el amoníaco y el ácido nítrico. Se considera que el material de combustión más común del proceso de la invención será el amoníaco, que puede generarse a partir de estas fuentes, ya sea en la producción, en el uso, o en la destrucción del ácido nítrico, ácido adípico, glioxal, y ácido glioxílico. Generalmente, se quema el amoníaco en un quemador que permite la mezcla de aire con el gas para obtener una mezcla de combustión, que al entrar en combustión, permite obtener gases de combustión. Estos gases de combustión generalmente contienen productos de combustión no deseados como ser el monóxido de carbono, el óxido de nitrógeno y el óxido nitroso.
La combustión del material carbonoso proporciona una corriente de gas que puede incluir una concentración contaminante de óxido nitroso. La corriente de gas a ser tratada siguiendo el proceso de la invención para remover el óxido nitroso generalmente contiene concentraciones contaminantes de óxido de nitroso, que oscilan generalmente de 100 ppmv a 600 000 ppmv (60 %vol) aproximadamente. Sin embargo, más comúnmente, la concentración de óxido nitroso en la corriente de gas oscila de 100 ppmv a 10 000 ppmv (1 %vol) , y, más comúnmente, oscila de 100 ppmv a 5 000 ppmv.
Otros componentes de la corriente de gas de combustión pueden incluir el nitrógeno, que puede proveer de compuestos con nitrógeno como el amoníaco y el ácido nítrico y en cierto grado el aire que se utiliza en la combustión del material carbonoso, el dióxido de carbono y vapor de agua. La concentración de dióxido de carbono en la corriente de gas de combustión generalmente oscila en 5% vol a 20% vol aproximadamente, y la concentración de vapor de agua en la corriente de combustión generalmente oscila de 5% vol a 20 % vol aproximadamente. El nitrógeno molecular en la corriente de gas de combustión puede oscilar de 50% vol a 80% vol. En caso de utilizar concentraciones en exceso de oxígeno en la combustión del material carbonoso, puede también haber oxígeno molecular en la corriente de gas de combustión. Generalmente, no es deseable utilizar una concentración excesiva de oxígeno cuando se hace la combustión de los materiales carbonosos, pero si hay exceso de oxígeno en la combustión, generalmente el oxígeno puede estar en la corriente de gas de combustión a concentraciones que oscilan en 4% vol o mayores, tales como en el intervalo de 0,1 %vol a 3,5 %vol.
Los otros componentes de la corriente de gas de combustión pueden incluir N0X, CO, y SOx. El NOx puede encontrarse en la corriente de gas de combustión a concentraciones que oscilan de 1 ppmv aproximadamente a 10 000 ppmv (l%vol) aproximadamente. El monóxido de carbono puede encontrarse a concentraciones que oscilan de 1 ppmv a 2 000 ppmv o más.
El proceso de la invención proporciona una alta recuperación de calor mediante la aplicación de una multiplicidad o de una pluralidad de zonas de transferencia de calor y de una multiplicidad o pluralidad de zonas de reacción. Estas zonas de transferencia de calor y zonas de reacción se conectan operativamente en una disposición u orden en particular para que el sistema del proceso opere de manera específica y en condiciones de no equilibrio para lograr una elevada recuperación de calor en el sistema del proceso. El proceso y el sistema también permiten una elevada eficiencia de remoción y destrucción de óxido nitroso además de la alta eficiencia de recuperación de calor.
La estructura define cada una de las zonas de reacción del sistema del proceso, y cada una de las zonas de reacción contiene un catalizador de descomposición de N20. El catalizador de descomposición de N20 permite la descomposición catalítica o la conversión del óxido nitroso, para producir nitrógeno y oxígeno. En las zonas de reacción del sistema del proceso es posible utilizar cualquier catalizador adecuado que se aplique en las condiciones del proceso y que catalice la reacción de descomposición de óxido nitroso.
Los catalizadores particularmente útiles en el proceso de la invención incluyen los ejemplos descritos en la Publicación de Patente de los EUA N° 2008/0044334, cuya publicación forma parte de las referencias de la presente invención. Los catalizadores adecuados incluyen los descritos en detalle en US 2008/0044334 y que, generalmente, incluye un zeolita cargado con un metal noble seleccionado del grupo de rutenio, rodio, plata, renio, osmio, iridio, platino y oro, y cargado con un metal de transición seleccionado del grupo de vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre.
La estructura define cada una de las zonas de transferencia de calor, y cada una de las zonas de transferencia de calor contiene un material o medio de transferencia de calor. El material de transferencia de calor incluye un medio disipador que permite la transferencia de energía térmica (calor) hacia y desde la corriente de gas del proceso. Cuando la temperatura de la corriente de gas es mayor a la temperatura del material de transferencia de calor, el calor fluye desde la corriente de gas hacia el material de transferencia de calor para así enfriar la corriente de gas y producir una corriente de gas enfriada. Cuando la temperatura del material de transferencia de calor es mayor a la temperatura de la corriente de gas, el calor se transfiere desde el material de transferencia de calor hacia la corriente de gas para así calentar la corriente de gas y producir una corriente de gas caliente.
El medio disipador de calor del material de transferencia de calor puede seleccionarse de una gran variedad de materiales que tienen la conductividad térmica requerida, la capacidad térmica y otras propiedades necesarias en un medio disipador de calor adecuado y aplicable en el proceso de la invención. Es especialmente deseable que la conductividad y capacidad térmica del material de transferencia de calor sea relativamente alta. La capacidad térmica del material de transferencia de calor oscila generalmente de aproximadamente 750 a 1300 kJ/ (g' ) , y, más específicamente, de 850 a 1200 kJ /(g'K) . La capacidad térmica del material de transferencia de calor oscila generalmente de aproximadamente 1 a 3 / (m'K) , y, más específicamente, de 1,5 a 2,6 W /(m'K).
Los materiales cerámicos son particularmente buenos para la aplicación del disipador de calor. Estos materiales cerámicos pueden incluir compuestos tales como la alúmina, sílice, titanio, zirconio, óxido de berilio, nitruro de aluminio, y otros materiales adecuados que incluyen mezclas de los compuestos antemencionados.
Asimismo, el medio disipador de calor cerámico puede incluir otros compuestos, generalmente en trazas, como pueden ser el óxido de hierro (Fe203) , óxido de calcio (CaO) , óxido de magnesio ( gO) , óxido de sodio (Na20) , óxido de potasio (K20) y sus combinaciones.
Entre los materiales cerámicos particularmente deseables para utilizar como medio disipador de calor del proceso de la invención se incluyen los que se seleccionan del grupo de alúmina, sílice y sus combinaciones. En lo que respecta a este medio disipador de calor particularmente deseable, cuando en el medio disipador de calor predomina la alúmina, ésta se encuentra en concentraciones que oscilan de 10%p a 99 o más %p. Cuando el medio disipador de calor incluye predominantemente sílice, el mismo está presente en concentraciones que oscilan de 10%p a 99 o más %p. Cuando el medio disipador de calor incluye una combinación de alúmina y sílice, la alúmina está presente en el medio disipador de calor en concentraciones que oscilan de 1 a 99%p, y la sílice en concentraciones que oscilan de 1 a 99%p. Estos porcentajes en peso se basan todos en el peso total del medio disipador de calor.
Preferiblemente, el medio disipador de calor es un material estructurado, moldeado o diseñado de manera particular, de manera tal que presente ciertas características o ventajas, por ejemplo, que disminuya la caída de presión en el lecho del medio disipador de calor, o que disminuya la acumulación de impurezas o la oclusión del lecho del medio disipador de calor, o que mejore la integridad mecánica del medio disipador de calor u otras ventajas. Entre los ejemplos de las formas o estructuras utilizadas para el medio disipador de calor están: esferas, cilindros, collares, tubos, cilindros huecos, ruedas, y una variedad de otras formas que generalmente se aplican para estos medios. Entre los ejemplos comercialmente disponibles de medios disipadores de calor cerámicos adecuados para aplicar como material de transferencia de calor del proceso de la invención se incluyen los que comercializa Saint-Gobain NorPro que se identifican con las siguientes nombres : Norton™ Saddles, Ty-Pak® Heat Transfer Media, Snowflake™ Heat Transfer Media, AF38™ Media, HexPak™ Heat Transfer Media, entre otros .
Como se mencionó anteriormente, el proceso de la invención permite remover el óxido nitroso de la corriente de gas que contiene una concentración contaminante de óxido nitroso. Generalmente, la corriente de gas del proceso es una corriente de gas de escape de combustión que incluye gases de combustión, y además que incluye una concentración de óxido nitroso, y además, puede incluir una concentración determinada de compuestos NOx. Sin embargo, la remoción de los compuestos NOx de la corriente de gas no es un objetivo particular del proceso de la invención a pesar de que puede ocurrir la remoción.
En un proceso de reducción catalítica selectivo típico, que se aplica para remover NOx de las corrientes de gases de escape de combustión, se requiere de la presencia de un reactivo o un agente reductor, como por ejemplo el amoníaco anhidro, el amoníaco acuoso o la urea, junto con el contacto de la corriente de gas con un catalizador de reducción para convertir el NOx. Por otro lado, en el proceso de la invención, no es necesario que haya un agente reductor en la corriente de gas que contiene óxido nitroso que se pone en contacto con el catalizador de descomposición del N20 cuando ocurre la descomposición del óxido nitroso. Es incluso preferible que la corriente de gas no incluya amoníaco o urea, o ambos; y por lo tanto, la corriente de gas del proceso de la invención debería incluir una concentración de amoníaco y urea, o ambos, o menos de aproximadamente 10 000 ppmv, preferiblemente, menos de 1 000 ppmv, y más preferiblemente menos de 10 ppmv.
Un aspecto deseable del proceso de la invención es que la concentración de compuestos hidrocarburo en la corriente de gas sea baja. Por lo tanto, es deseable que la concentración de hidrocarburo en la corriente de gas del proceso de la invención contenga menos de 200 ppmv, preferiblemente, menos de 50 ppmv, y más preferiblemente, menos de 20 ppmv de la totalidad de la corriente de gas. En general, los hidrocarburos son los compuestos que se encuentran en estado gaseoso en condiciones de presión y temperatura estándar, e incluyen metano, etano, propano y butano .
En el proceso de la invención, se pasan e introducen las corrientes de gas con concentraciones contaminantes de óxido nitroso en la zona de transferencia de calor. En la zona de transferencia de calor está presente el material de transferencia de calor. Las propiedades y composición del material de transferencia de calor ya han sido descritas en la presente . Se introduce la corriente de gas en la zona de transferencia de calor, en donde se pasa o se pone en contacto con el material de transferencia de calor que se encuentra en la zona de transferencia de calor, y allí hay intercambio de energía térmica entre el material de transferencia de calor y la corriente de gas. Antes del paso inicial del proceso, el material de transferencia de calor ha sido calentado, por un procedimiento de inicio para subir su temperatura a la temperatura inicial deseada, o bien pasando una corriente de gas calentada por la zona de transferencia de calor y sobre el material de transferencia de calor.
En el paso inicial del proceso, el material de transferencia de calor de la zona de transferencia de calor posee una temperatura inicial mayor a la temperatura de la corriente de gas que contiene la concentración contaminante del óxido nitroso, y, cuando la corriente de gas pasa por la zona de transferencia de calor, se transfiere energía térmica desde el material de transferencia de calor hacia la corriente de gas. Posteriormente, se produce corriente de gas caliente desde la zona de transferencia de calor. Generalmente en esta etapa, el material de transferencia de calor inicia a temperaturas en el intervalo de aproximadamente 400°C a aproximadamente 700 °C y la temperatura de la corriente de gas que ingresa a la zona de transferencia de calor se encuentra en el intervalo de aproximadamente 10 °C a aproximadamente 400 °C. En un período de tiempo, la temperatura del material de transferencia de calor disminuye a medida que su energía térmica se transfiere a la corriente de gas que pasa a través de la zona de transferencia de calor.
La corriente de gas caliente producido a partir de la zona de transferencia de calor se pasa a una zona de reacción y se introduce en la misma. En esta zona de reacción se encuentra el catalizador de descomposición del N20. La composición de este catalizador de descomposición del N20 se describe en la presente . La temperatura de la corriente de gas caliente es tal que ocurre la reacción de descomposición del óxido nitroso cuando se pone en contacto con el catalizador de descomposición de N20 en la zona de reacción. Por lo tanto, la temperatura de la corriente de gas caliente, generalmente oscila de 400°C a 700°C.
En esta zona de reacción, las condiciones de reacción son tales que es posible descomponer al menos una porción del óxido nitroso incluido en la corriente de gas caliente a nitrógeno y oxígeno, y posteriormente, se produce una corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso a partir de la zona de reacción. Generalmente en este paso, debido a la naturaleza exotérmica de la reacción de descomposición del óxido nitroso, la temperatura de la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso será en cierta medida más alta que la de la corriente de gas caliente que se introduce en la zona de reacción. La exotérmica, que es la diferencia de temperatura entre la temperatura de la corriente de gas caliente que pasa desde la zona de transferencia de calor y se introduce en la zona de reacción y la temperatura de la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso producido a partir de la zona de reacción, puede oscilar de un aumento de temperatura mínimo a un aumento de 200°C. Más comúnmente, sin embargo, la exotérmica oscila de temperaturas de 5°C a 200°C, más comúnmente, de 10°C a 45°C.
Posteriormente, la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso pasa de la zona de reacción a una segunda zona de reacción. En esta zona de reacción se encuentra el segundo catalizador de descomposición del N20. La composición y las propiedades de este catalizador de descomposición del N20 ya han sido descritas en la presente. Se introduce la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso en la segunda zona de reacción, en donde se pone en contacto con el segundo catalizador de descomposición del N20 bajo condiciones de reacción de descomposición del óxido nitroso adecuadas.
La corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso que se introduce en la segunda zona de reacción puede encontrarse a temperaturas próximas a las propias cuando se produce desde la zona de reacción, o es posible que se aumente aún más su temperatura si se introduce más energía térmica en la misma antes de pasar la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso a la segunda zona de reacción. La temperatura de la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso que se introduce en la segunda zona de reacción por lo tanto oscilará de aproximadamente 400°C a aproximadamente 700°C. Más típicamente, la temperatura puede oscilar de 450°C a 550°C.
En la segunda zona de reacción la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso se pasa sobre el segundo catalizador de descomposición de N20 y se pone en contacto con el mismo. Las condiciones de reacción en la segunda zona de reacción son tales como para permitir la descomposición de al menos una porción del óxido nitroso incluido en la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso a nitrógeno y oxígeno. La corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso se obtiene entonces de la segunda zona de reacción.
Al igual que en la etapa de pasar la corriente de gas caliente a la zona de reacción, en este paso, la reacción de descomposición del óxido nitroso es exotérmica, y como resultado, puede producir un aumento de temperatura en la segunda zona de reacción con un aumento de la temperatura de la corriente de gas producida que posee una aún menor concentración de óxido nitroso con respecto a la temperatura de la corriente de gas introducida con menor concentración de óxido nitroso. Este aumento de temperatura puede oscilar desde aumentos mínimos de temperatura hasta 200 °C o mayores. Un aumento de temperatura más típico oscila de 2°C a 100 °C o de 5°C a 40°C.
La corriente de gas con la aún menor concentración de óxido nitroso pasa entonces desde la segunda zona de reacción hacia la segunda zona de transferencia de calor que contiene un segundo material de transferencia de calor con una segunda capacidad térmica. La temperatura del segundo material de transferencia de calor es menor a la temperatura de la corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso, y, como resultado, la energía térmica se transfiere desde la corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso al segundo material de transferencia de calor a medida que pasa por la segunda zona de transferencia de calor. Posteriormente, se produce corriente de gas fría desde la segunda zona de transferencia de calor. Generalmente, en esta etapa, el Segundo material de transferencia de calor comienza a temperaturas en el intervalo de aproximadamente 400°C a aproximadamente 700°C. En un período de tiempo, la temperatura del segundo material de transferencia de calor disminuye a medida que su energía térmica se transfiere a la corriente de gas con la menor concentración de óxido nitroso a medida que pasa a través de la segunda zona de transferencia de calor. La corriente de gas enfriada que pasa desde la segunda zona de transferencia de calor alcanzará temperaturas similares a las de la corriente de gas que se introduce en la zona de transferencia de calor del sistema del proceso.
Posteriormente, la corriente de gas enfriada pasa desde la segunda zona de transferencia de calor hacia un conducto de humos, o corriente abajo para su posterior procesamiento. La concentración del óxido nitroso es significativamente menor que la concentración contaminante de óxido nitroso de la corriente de gas que pasa inicialmente a la zona de transferencia de calor del sistema del proceso.
Una manera de cuantificar la concentración de óxido nitroso degradado por el proceso de la invención es mediante el porcentaje de eficiencia de la remoción y degradación de óxido nitroso del proceso de la invención. Este valor se calcula como la diferencia en el óxido nitroso contenido en la corriente de gas que posee una concentración contaminante de óxido nitroso que pasa al sistema del proceso y la concentración de óxido nitroso contenida en la corriente de gas enfriado con una diferencia que se divide entre la concentración contaminante de óxido nitroso en la corriente de gas y el cociente que se multiplica por 100. La eficiencia de remoción de destrucción de óxido nitroso (Deff) en el sistema del proceso puede luego representarse con la fórmula, (CÍ-C0/CÍ) x 100, en el que Ci es la concentración de óxido nitroso de una corriente de gas con una concentración contaminante de óxido nitroso, y Co es la concentración de óxido nitroso de la corriente de gas enfriada.
La eficiencia de remoción y degradación . de óxido nitroso del sistema del proceso es significativa, y puede ser mayor a 75%. Es preferible que la eficiencia de remoción y degradación del óxido nitroso sea mayor a 85%, y más preferible, mayor a 95%. En la modalidad más preferida del proceso de la invención, la eficiencia de remoción y degradación del óxido nitroso puede ser mayor a 97,5% e incluso mayor a 99,9 %. Es deseable que la concentración de óxido nitroso en la corriente de gas fría sea menor a 100 ppmv, y preferiblemente, menor a 75 ppmv. Más preferiblemente, la concentración de óxido nitroso en la corriente de gas fría es menor a 50 ppmv.
Para que el proceso de la invención permita una elevada eficiencia de recuperación de calor, es importante que el proceso y el sistema operen en condiciones que no son de equilibrio ni de estado estacionario. Entonces, para que el proceso no alcance el estado de equilibrio, es necesario que, luego de un período de tiempo, la corriente de gas que se pasa inicialmente y se introduce en la zona de transferencia del sistema, no se continúe introduciendo en la zona de transferencia de calor y se revierta su flujo hacia el sistema del proceso.
Una vez detenido el flujo de corriente de gas a la zona de transferencia de calor, el mismo pasa a la segunda zona de transferencia de calor. En esta etapa, la temperatura del segundo material de transferencia de calor de la segunda zona de transferencia de calor, como consecuencia del pasaje previo de la corriente de gas con una concentración aún menor de óxido nitroso sobre el segundo material de transferencia de calor, es mayor que la temperatura de la corriente de gas que contiene la concentración contaminante de óxido nitroso. A medida que la corriente de gas pasa por el segundo material de transferencia de calor y por la segunda zona de transferencia de calor, se transfiere calor desde el segundo material de transferencia de calor hacia la corriente de gas. Posteriormente se obtiene una segunda corriente de gas calentada desde la segunda zona de transferencia de calor con temperaturas habitualmente en el intervalo de aproximadamente 400°C a aproximadamente 700°C. En un período de tiempo, la temperatura del segundo material de transferencia de calor disminuye a medida que su energía térmica se transfiere a la corriente de gas que pasa a través de la segunda zona de transferencia de calor.
La segunda corriente de gas caliente que se produce a partir de la segunda zona de transferencia de calor se pasa e introduce en una segunda zona de reacción, en la que al menos una porción del óxido nitroso contenido en la segunda corriente de gas caliente se descompone a nitrógeno y oxígeno. A partir de la segunda zona de reacción se produce una segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso. Entonces la segunda corriente de gas con la segunda menor concentración de óxido nitroso se pasa a la zona de reacción en la que al menos una porción del óxido nitroso incluido en la misma se descompone a nitrógeno y oxígeno. La temperatura de la segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso puede, si se necesita, aumentarse al agregar energía térmica a la misma antes de introducirla en la zona de reacción.
A partir de la zona de reacción se produce una segunda corriente de gas con una segunda aún menor concentración de óxido nitroso que se pasa a la zona de transferencia de calor. Como consecuencia del anterior pasaje de la corriente de gas por la zona de transferencia de calor, el material de transferencia de calor allí presente tendrá temperaturas menores a las temperaturas de la segunda corriente de gas que presenta la segunda aún menor concentración de óxido nitroso. Entonces, la energía térmica se transfiere desde la segunda corriente de gas con una segunda aún menor concentración de óxido nitroso al material de transferencia de calor lo que permite obtener una segunda corriente de gas fría que se produce a partir de la zona de transferencia de calor.
La concentración de óxido nitroso en la segunda corriente de gas enfriada es lo suficientemente baja como para que la eficiencia de remoción y degradación del óxido nitroso en el sistema del proceso sea mayor a 75%. Pero, es preferible que la eficiencia de remoción y degradación del óxido nitroso sea mayor a 85%, y más preferible, mayor a 95%. En la modalidad más preferida del proceso de la invención, la eficiencia de remoción y degradación del óxido nitroso puede ser mayor a 97,5% e incluso mayor a 99 %. Es deseable que la concentración de óxido nitroso en la segunda corriente de gas fría sea menor a 100 ppmv, y preferiblemente, menor a 75 ppmv. Más preferiblemente, la concentración de óxido nitroso en la segunda corriente de gas fría es menor a 50 ppmv.
Luego de un período de tiempo, el flujo de corriente de gas introducido en primer lugar en la segunda zona de transferencia de calor del sistema del proceso puede interrumpirse, nuevamente revirtiendo el flujo y nuevamente introduciendo la corriente de gas en la zona de transferencia de calor. Revertir el flujo de la corriente de gas hacia el sistema del proceso puede ser, y preferiblemente es, un aspecto del proceso; porque, para obtener la mayor eficiencia en la recuperación energética, es importante que el proceso de la invención y el sistema del proceso opere fuera del estado de equilibrio o del estado estacionario.
A continuación se hace referencia a la FIG. 1, que representa un diagrama esquemático del sistema del proceso 10 y las corrientes del proceso del proceso de la invención, para la remoción del óxido nitroso de la corriente de gas con concentraciones contaminantes de óxido nitroso.
El sistema del proceso 10 incluye la unidad de transferencia de calor 12 que define la zona de transferencia de calor 14. Se entiende que la unidad de transferencia de calor 12 puede incluir una o más pluralidad de unidades, cada una de las cuales define una zona de transferencia de calor diferente. Dentro de la zona de transferencia de calor 14 se encuentra el material de transferencia de calor 16 con una elevada capacidad térmica.
La corriente de gas con la concentración contaminante de óxido nitroso pasa por un conducto 18 y se introduce en la zona de transferencia de calor 14 de la unidad de transferencia de calor 12. En la operación inicial del sistema del proceso 10, la temperatura del material de transferencia de calor 16 es mayor que la temperatura de la corriente de gas que se introduce en la zona de transferencia de calor 14.
Operativamente, la unidad de transferencia de calor 12 se conecta con la zona de reacción 26 por el conducto 24, y hay entre las mismas circulación de fluidos. Se entiende que el reactor de descomposición de N20 22 puede incluir uno o más reactores, cada uno de los cuales definen diferentes zonas de reacción de descomposición de N20. El reactor de descomposición de N20 22 define la zona de reacción 26 que contiene un catalizador 28 de descomposición de N20.
A medida que la corriente de gas pasa por la zona de transferencia de calor 14 y se pone en contacto con el material 16 de transferencia de calor, se transfiere energía térmica desde el material de transferencia de calor hacia la corriente de gas . La corriente de gas caliente se produce y pasa desde la zona de transferencia de calor 14 por el conducto 24 y se introduce en la zona de reacción 26.
En la zona de reacción 26, la corriente de gas se pone en contacto con el catalizador de descomposición de N20 28 bajo condiciones de reacción de descomposición de N20, que son adecuadas para la promoción de la descomposición de al menos una porción de óxido nitroso contenido en la corriente de gas a nitrógeno y al oxigeno. El reactor 22 de descomposición de N20 se conecta operativamente con el segundo reactor de descomposición de N20 32 por el conducto 40, y hay circulación de fluidos. El segundo reactor de descomposición de N20 32 define una segunda zona de reacción 34 que contiene un segundo catalizador de descomposición de N20 36. Se entiende que el segundo reactor de descomposición de N20 32 puede incluir uno o más reactores cada uno de los cuales define una diferente zona de reacción de descomposición de N20.
Se produce una corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso a partir de la zona de reacción 26 y pasa por un conducto 40 para introducirse en la segunda zona de reacción 34. La corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso pasa por el segundo catalizador de descomposición de N20 36 y se pone en contacto con el mismo, en la segunda zona de reacción 34 que opera bajo condiciones de reacción adecuadas para permitir la descomposición de al menos una porción del óxido nitroso incluido en la corriente de gas .
En una modalidad opcional de la invención, se interpone en el conducto 40 la unidad de calentamiento 42. La unidad de calentamiento 42 permite introducir energía térmica a la corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso en las situaciones en las cuales se necesita agregar más energía térmica a la corriente de gas antes de introducirla en el el segundo reactor de descomposición de N20 32.
Se produce la corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso y pasa a la segunda zona de reacción 34 mediante un conducto 44 que se introduce en la segunda zona de transferencia de calor 48. La segunda zona de transferencia de calor 48 la define la segunda unidad de transferencia de calor 50 y contiene allí un segundo material de transferencia de calor 52 con una segunda capacidad térmica. La segunda unidad de transferencia de calor 50 se conecta operativamente y permite la circulación de fluidos con el segundo reactor de descomposición de N20 32 mediante el conducto 44. Se entiende que la segunda unidad de transferencia de calor 50 puede incluir una o más unidades de transferencia de calor cada una de las cuales define una zona de transferencia de calor diferente.
La temperatura del segundo material de transferencia de calor 52 de la segunda unidad de transferencia de calor 50 es menor que la temperatura de la corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso, y por lo tanto, a medida que la corriente de gas pasa por la segunda zona de transferencia de calor 48, la energía térmica se transfiere desde la corriente de gas al segundo material de transferencia de calor 52 para asi enfriar la corriente de gas. Se produce una corriente de gas enfriada y pasa corriente bajo desde la segunda zona de transferencia de calor 48 por el conducto 54.
La concentración de óxido nitroso de la corriente de gas fría es significativamente menor que la concentración contaminante de óxido nitroso de la corriente de gas que se introduce en la zona de transferencia de calor 14 por el conducto 18.
Luego de haber operado el sistema del proceso 10 por un período de tiempo en el modo en que se introduce la corriente de gas con la concentración contaminante de óxido nitroso en la unidad de transferencia de calor 12, se deja de introducir y el flujo de gas hacia el sistema del proceso 10 se revierte. La inversión del flujo de gas se realiza por introducción de la corriente de gas por el conducto 54 a la segunda zona de transferencia de calor 48. En esta etapa, la temperatura del segundo material de transferencia de calor 52 es mayor que la temperatura de la corriente de gas que se introduce en la segunda zona de transferencia de calor 48. A medida que la corriente de gas pasa por la segunda zona de transferencia de calor 48, la energía se transfiere desde el segundo material de transferencia de calor 52 hacia la corriente de gas para producir la segunda corriente de gas calentada.
La segunda corriente de gas caliente se produce a partir de una segunda zona de transferencia de calor 48 y pasa por un conducto 56 a la segunda zona de reacción 34. El conducto 56 se conecta operativamente y permite la circulación de fluidos entre la segunda zona de transferencia de calor 48 y la segunda zona de reacción 34. El conducto 56 no tiene por qué ser un conducto diferente e independiente del conducto 44, y ambos conductos 44 y 56 pueden ser el mismo.
La segunda corriente de gas caliente se introduce en la segunda zona de reacción 34 y allí pasa por el segundo catalizador de descomposición de N20 36, y se pone en contacto con el mismo. La segunda zona de reacción 34 se encuentra en condiciones de reacción de descomposición de N20 adecuadas para la descomposición de al menos una porción del óxido nitroso contenido dentro de la segunda corriente caliente de gas y para obtener una segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso. Esta corriente de gas se produce a partir de una segunda zona de reacción 34 y pasa desde la misma por el conducto 58.
El conducto 58 se conecta operativamente con el Segundo reactor de descomposición de N20 32 y el reactor de descomposición de N20 22, y permite la circulación de fluidos entre la segunda zona de reacción 34 y la zona de reacción 26. El conducto 58 no tiene por qué ser un conducto diferente e independiente del conducto 40, y ambos conductos 40 y 58 pueden ser el mismo.
En una modalidad opcional de la invención, se interpone en el conducto 58 o en el conducto 40, o ambos conductos, la unidad de calentamiento 42. La unidad de calentamiento 42 permite introducir energía térmica a la segunda corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso en las situaciones en las cuales se necesita agregar más energía térmica a la corriente de gas antes de introducirla en el reactor de descomposición de N20 22.
La segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso se pasa e introduce en la zona de reacción 26, en donde pasa y se pone en contacto con el catalizador de descomposición de N20 28. La zona de reacción 26 opera bajo condiciones de reacción de descomposición de N20 adecuadas para la descomposición de al menos una porción del óxido nitroso contenido en la segunda corriente de gas con la segunda menor concentración de óxido nitroso y para obtener una segunda corriente de gas Esta corriente de gas se produce a partir de una segunda zona de reacción 26 y pasa desde la misma por el conducto 60.
El conducto 60 se conecta operativamente con el reactor de descomposición de N20 22 la unidad de transferencia de calor 12, y permite la circulación de fluidos entre la zona de transferencia de calor 14 y la zona de reacción 26. La segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso pasa por el conducto 60 y se introduce en la zona de transferencia de calor 14 y allí pasa por allí y se pone en contacto con el material de transferencia de calor 16. La temperatura del material de transferencia de calor 16 es menor a la temperatura de la segunda corriente de gas con una segunda aún menor concentración de óxido nitroso, y, en consecuencia, se transfiere energía térmica desde la segunda corriente de gas con la segunda menor concentración de óxido nitroso al material de transferencia de calor 16 para así obtener una corriente de gas fría.
Se produce la segunda corriente de gas fría y pasa corriente abajo a partir de la zona de transferencia de calor 14 por el conducto 64. La segunda corriente de gas fría tendrá concentraciones de óxido nitroso significativamente menores que las concentraciones contaminantes de óxido nitroso de la corriente de gas que se introduce por el conducto 54 a la zona de transferencia de calor 48.
Luego de un período de tiempo, la circulación de la corriente de gas puede volver a revertirse si no se continúa introduciendo la corriente de gas en la segunda zona de transferencia de calor 48 y luego introducirla primero en la zona de transferencia de calor 14 y repitiendo los otros pasos .
En una modalidad, el sistema del proceso incluye una tercera zona de reacción y zona de transferencia de calor similar a las primeras dos. En caso de que se utilicen únicamente dos zonas de reacción y de transferencia de calor, una concentración de gas sin tratar se desvía de la zona de reacción cuando se cambia el flujo. Se revierte el flujo de manera que el gas fluye inversamente antes de ponerse en contacto con el catalizador. Este gas sin tratar no se trata con el catalizador de N20 antes de salir del sistema. Para superar esto, la tercera zona de reacción y de transferencia de calor puede utilizarse para que el flujo pase inicialmente por la primera y segunda zona de reacción y de transferencia de calor y posteriormente se cambia para que pase por las segundas y terceras zonas de reacción y de transferencia de calor. El gas sin tartar en las primeras zonas de reacción y de transferencia de calor puede removerse para el tratamiento. Una persona con conocimiento de la material podría aplicar esto a cualquier combinación de más de dos zonas de transferencia de calor y de reacción.
En una modalidad, la zona de reacción contiene además un catalizador de reducción catalítica selectivo (SCR) para remover el NH3 y el NOx. El NH3 ya está presente en la corriente y no es necesario agregarlo como reactivo como ocurre en los sistemas de reacción de SCR típicos .
En otra modalidad, la zona de reacción incluye además un catalizador adecuado para reducir NOx, NH3, SOx, VOC, CO, dioxinas, etc.
En otra modalidad, puede agregarse más calor al sistema por cualquier medio conocido por el experto en la materia incluido el gaseoso, eléctrico, y por vapor.
Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (7)

REVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :
1. Un proceso para remover óxido nitroso (N20) de una corriente de gas que contiene concentraciones contaminantes de óxido nitroso, caracterizado porque comprende: (a) Pasar la corriente de gas por una zona de transferencia de calor que contiene un material de transferencia de calor de alta capacidad térmica, en donde el calor se transfiere desde el material de transferencia de calor hacia la corriente de gas, y se obtiene así una corriente de gas caliente; (b) Pasar la corriente de gas caliente a la zona de reacción que contiene el catalizador de descomposición de N20 que permite la descomposición de óxido nitroso y que permite producir desde allí una corriente de gas con menor concentración de óxido nitroso; (c) Pasar la corriente de gas con esta menor concentración de óxido nitroso a una segunda zona de reacción que contiene un segundo catalizador de descomposición de N20 en el que se descompone el óxido nitroso para dar lugar a una corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso; y (d) Pasar la corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso a una segunda zona de transferencia de calor que contiene un segundo material de transferencia de calor de una segunda capacidad térmica en donde el calor se transfiere desde la corriente de gas con aún menor concentración de óxido nitroso al segundo material de transferencia de calor y así producir una corriente de gas fría.
2. Un proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: (e) Revertir el flujo de la corriente de gas luego de un período de tiempo, mediante la interrupción de los pasos (a) , (b) , (c) y (d) ; (f) Pasar la corriente de gas a la segunda zona de transferencia de calor, en la cual se transfiere calor desde el material de transferencia de calor hacia la corriente de gas para así obtener una segunda corriente de gas caliente; (g) Pasar la segunda corriente de gas caliente a la segunda zona de reacción, en la que se descompone el óxido nitroso y se produce a partir de la misma una segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso; (h) Pasar la segunda corriente de gas con esta segunda menor concentración de óxido nitroso a la zona de reacción en la que se descompone el óxido nitroso para dar lugar a una segunda corriente de gas con una segunda aún menor concentración de óxido nitroso; y (i) pasar la segunda corriente de gas con una segunda aún menor concentración de óxido nitroso a la zona de transferencia de calor en donde se transfiere el calor desde esta segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso para así obtener una segunda corriente fría de gas.
3. Un proceso de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque además comprende: (j) Revertir el flujo de la corriente de gas luego de un período de tiempo, mediante la interrupción de los pasos (f) , (g) , (h) e (i) ,· y (k) Repetir los pasos (a) , (b) , (c) y (d) .
4. Un proceso de conformidad con las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque la concentración contaminante de óxido nitroso oscila de 100 ppmv a aproximadamente 60 000 ppmv, y en el que la eficiencia de remoción y degradación del óxido nitroso (Deff) para el proceso es mayor a 75%.
5. Un proceso como de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque el catalizador de descomposición de N20 incluye un zeolita cargado con un metal noble seleccionado del grupo de rutenio, rodio, plata, renio, osmio, iridio, platino, y oro, y cargado en el metal de transición seleccionado del grupo de vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel, y cobre, y en el que el segundo catalizador de descomposición de N20 incluye un zeolita cargado con un metal noble seleccionado del grupo de rutenio, rodio, plata, renio, osmio, iridio, platino, y oro, y cargado en un metal de transición seleccionado del grupo de vanadio, cromo, manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre .
6. Un proceso de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque el material de transferencia de calor incluye material cerámico seleccionado del grupo de alúmina, sílice, titanio, zirconia, óxido de berilio, nitruro de aluminio, y mezclas de dos o más de los mismos, y en donde el segundo material de transferencia de calor comprende un material cerámico seleccionado del grupo de alúmina, sílice, titanio, zirconia, óxido de berili, nitruro y las mezclas de dos o más de los mismos .
7. Un proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende: (e) Revertir el flujo de la corriente de gas luego de un período de tiempo, mediante la interrupción de los pasos (a) , (b) , (c) y (d) ; (f) Pasar la corriente de gas a la segunda zona de transferencia de calor, en la cual se transfiere calor desde el material de transferencia de calor hacia la corriente de gas para así obtener una segunda corriente de gas caliente; (g) Pasar la segunda corriente de gas caliente a la segunda zona de reacción, en la que se descompone el óxido nitroso y se produce a partir de la misma una segunda corriente de gas con una segunda menor concentración de óxido nitroso; (h) Pasar la segunda corriente de gas con esta segunda menor concentración de óxido nitroso a la tercera zona de reacción en la que se descompone el óxido nitroso para dar lugar a una tercera corriente de gas con una tercera aún menor concentración de óxido nitroso; y (i) pasar la tercera corriente de gas con una tercera aún menor concentración de óxido nitroso a la tercera zona de transferencia de calor en donde se transfiere el calor desde esta tercera corriente de gas con una tercera menor concentración de óxido nitroso para así obtener una tercera corriente fría de gas .
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