PT1053394E - Método para sistemas de conversão de combustíveis em energia - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO PARA SISTEMAS DE CONVERSÃO DE COMBUSTÍVEIS EM ENERGIA" 1. Campo da invenção

Esta invenção refere-se à transformação conservadora de matéria carbonosa em combustíveis e petroquímicos para a produção de energia e outros fins. 2. Descrição da Técnica Anterior Têm sido realizadas muitas tentativas para melhorar o rendimento de sistemas de geração de energia a fim de reduzir o rácio de consumo de combustível/energia gerada, e de reduzir a poluição ambiental resultante dos produtos da combustão. Algumas destas tentativas incluem o arrefecimento de lâminas de turbinas a gás, recuperação do calor em ciclo combinado, e o ciclo de turbina de ar humedecido (HAT). Por exemplo, a Patente U.S. 4829763 divulga um ciclo regenerativo com arrefecimento intermédio com um saturador que adiciona uma quantidade considerável de humidade ao ar de descarga do compressor para que o fluxo de entrada no combustor contenha de 20 a 40% de vapor de água. O vapor de água melhora o rendimento da turbina enquanto o arrefecimento intermédio reduz a necessidade de trabalho do compressor resultando numa potência específica mais elevada. O ar comprimido que é utilizado na combustão do combustível para accionar a turbina é arrefecido e, depois, humedecido antes da combustão num saturador de contracorrente de 1 múltiplos andares com o vapor de água acima mencionado. 0 calor de baixo nível é rejeitado do ar comprimido durante o arrefecimento intermédio e antes do humedecimento. 0 ciclo de HAT é uma melhoria no rendimento térmico quando comparado com o ciclo combinado, ciclo de vapor injectado, ciclo regenerativo com arrefecimento intermédio e outros processos baseados no humedecimento. 0 ciclo de HAT exige pressões do ar muito elevadas até às 30 atmosferas e temperaturas superiores de entrada da turbina até aos 2800 F para melhorar os rendimentos térmicos globais das unidades.

Outro sistema é considerado como sendo uma extensão do ciclo de HAT, e é chamado de Turbina de Ar Humedecido com Gasificação Integrada (IGHAT) e foi descrito por Day e Rao como um método de gasificação de carvão baseado na geração de energia que pode proporcionar um elevado rendimento e baixas emissões, pelo menos, comparáveis a um ciclo combinado com gasificação integrada (IGCC) mas sem a penalização do elevado custo de capital que está habitualmente associado aos sistemas de IGCC. Grande parte das poupanças nos custos do IGHAT advém do facto de o ciclo de HAT poder utilizar calor de baixo nível vindo da água de arrefecimento da gasificação de uma maneira eficiente via o saturador, enquanto que num IGCC é necessário recuperar a maior quantidade de calor possível do gás de carvão bruto na forma de vapor a alta temperatura e alta pressão, utilizando caldeiras de calor residual que são relativamente caras. Outras reduções de custos ocorrem porque o ciclo não exige um condensador de turbina de vapor. Para além disto, é esperado que a grande quantidade de vapor de água misturada com o ar de combustão reduza as emissões de NOx até níveis muito baixos, presumindo que seja possível realizar uma combustão adequada a temperaturas reduzidas da chama. 2

Harvey et al., divulga um processo de redução da irreversibilidade da combustão através da reciclagem dos efluentes gasosos. 0 processo não tem ciclo inferior de energia, o que é semelhante a uma turbina a gás arrefecimento intermédio, reaquecimento e um regenerador. 0 regenerador funciona como um reformador em que o combustível é submetido a um processo de cracking e é parcialmente oxidado pelo calor vindo dos efluentes gasosos reciclados da turbina. Os efluentes gasosos contêm oxigénio e, consequentemente, são utilizados como transportadores de oxigénio. Antes de cada andar da turbina, ar é injectado no fluxo de gás contendo o combustível reformado e os efluentes gasosos reciclados que são, assim sequencialmente queimados. 0 vapor de água nos efluentes gasosos é parcialmente liquefeito na série de condensadores arrefecidos a água após cada andar; o arrefecimento intermédio é realizado através da injecção da água. A análise feita por Harvey et al mostra a reformagem para a conversão de combustível, mas os ganhos apresentados foram limitados pela temperatura do ponto de estrangulamento no reformador. Harvey et al., planeiam realizar estudos adicionais sobre o efeito da sua disposição proposta sobre o rendimento a temperaturas de entrada da turbina abaixo dos 2300 F que, na análise, é o limite mais elevado aproximado sem o arrefecimento das pás da turbina.

Para controlar a temperatura de entrada da turbina dentro de limites metalurgicamente aceitáveis (agora de 2600-2800 F) os desenhadores de turbinas a gás têm recorrido ao excesso de ar de combustão, diluentes como o vapor, como no ciclo de HAT, ou simples injecção de vapor, injecção de água ou ao arrefecimento intermédio com um compressor. Actualmente, os metalúrgicos estão a trabalhar no desenvolvimento de componentes cerâmicos ou 3 revestimentos que podem tolerar temperaturas cada vez mais elevadas. Esta invenção consegue controlar a temperatura de entrada da turbina através da reciclagem das descargas da turbina com consequentes rendimentos elevados do ciclo do sistema. 0 capital necessário é reduzido devido à compactação do reactor do motor de foguetão e à eliminação do equipamento de ciclo combinado reduzindo o seu rendimento associado a infra-estrutura do sistema. Ao lidar com as descargas vindas das turbinas a vapor, esta invenção utiliza grande parte do calor latente nas descargas com uma consequente redução na carga de água de arrefecimento que, de outra forma, seria necessária para fazer a condensação do vapor para a água de alimentação da caldeira.

Consequentemente, um objectivo da presente invenção é o de proporcionar um método para a geração de energia a partir de combustíveis tendo um maior rendimento face aos métodos anteriores, utilizando temperaturas de entrada da turbina convencionais sem injecção de diluentes ou arrefecimento intermédio. Outro objectivo é o de proporcionar um aparelho para a geração de energia a partir de combustíveis de uma maneira mais flexível, eficiente e menos poluente que os métodos da técnica anterior, com menores custos de capital.

Esta invenção pode também ser utilizada como sistema de reacção de pirólise para realizar uma pirólise convencional a temperaturas moderadas ou uma pirólise total a temperaturas elevadas. As patentes U.S. 4724272 de Raniere et al., e 5300216 de Hertzberg et al., explicam que o aquecimento e o arrefecimento no fluxo transónico têm de ser realizados em tempos de permanência precisos em relação ao tipo de choque e ao local do choque. Tanto os hidrocarbonetos como o vapor são 4 aquecidos e passados através de bicos supersónicos separados antes da pirólise. Hertzberg explica ainda que, após o arrefecimento, os gases submetidos a um processo de cracking podem ser encaminhados através de uma turbina para que seja feita a recuperação de energia e arrefecimento adicional.

Com esta invenção, é também possível a combinação das transformações de conversão de combustível e a pirólise. As patentes U.S. 4136015 e 4134824 de Kamm et al., explicam um processo de cracking térmico de hidrocarbonetos e um processo integrado para oxidação parcial e cracking térmico de matéria prima de petróleo bruto. O hidrogénio disponível pela oxidação parcial de óleo pesado promove a selectividade da produção. São seleccionadas condições moderadas de tempo-temperatura no processo de cracking que resultam na produção substancial de um produto líquido e de alcatrão que tem de ser tratada com dificuldade dentro dos seus processos e nos processos a jusante.

Consequentemente, um objectivo desta invenção é o de proporcionar um método de realização da pirólise e hidro-pirólise de matéria carbonosa, separadamente ou em combinação com transformações de conversão de combustível a temperaturas e pressões moderadas ou altas, conseguindo a conversão quase total da matéria prima, numa disposição de conservação quase total da energia. Outro objectivo desta invenção é o de proporcionar um aparelho para fazer a pirólise e hidro-pirólise de matéria carbonosa, separadamente ou em combinação com transformações de conversão do combustível a temperaturas e pressões moderadas ou altas, conseguindo a conversão quase total da matéria prima, numa disposição de conservação quase total da energia. 5

RESUMO DA INVENÇÃO

Estes e outros objectivos tornar-se-ão evidentes a partir da descrição que se segue e são alcançados pela presente invenção que compreende, num aspecto, um processo conforme definido na reivindicação 1.

Outro aspecto compreende um aparelho para a geração de energia a partir de combustíveis compreendendo: uma turbina que tem uma câmara de combustão; um motor de foguetão tendo um bico e um meio compressor; um meio para adicionar matéria carbonosa e água e/ou vapor ao bico do motor de foguetão; um meio de alimentação do combustível e do oxidante ao motor de foguetão e ao meio compressor do motor de foguetão; um meio de processamento do produto que sai do bico do motor de foguetão transformando-o em combustível para a câmara de combustão da turbina; um meio para a introdução dos referidos combustível e oxidante na turbina, na câmara de combustão da turbina, para produzir dióxido de carbono e água como produtos de combustão; um meio para a reciclagem de uma parte substancial das descargas quentes vindas da turbina para o meio compressor do motor de foguetão; um meio para a reciclagem adicional das descargas quentes vindas do meio compressor do motor de foguetão para o bico do motor de foguetão; 6 opcionalmente, para dentro de uma ou mais entradas secundárias a jusante do referido bico; e, opcionalmente, como um fluxo comprimido para outras utilizações; e controlar a temperatura de entrada na turbina;

Outro aspecto da invenção é um processo alternativo de produção de energia compreendendo:

Proporcionar uma turbina a vapor adaptada para gerar trabalho num veio; e um motor de foguetão tendo um bico e um meio compressor do motor de foguetão; fornecer combustível e oxidante ao motor de foguetão; fornecer matéria carbonosa e água e/ou vapor ao bico do motor de foguetão; processar do produto que sai do bico do motor de foguetão transformando-o em combustível para uma caldeira e combustível para um segundo motor de foguetão; ferver água na referida caldeira para produzir vapor de água; utilizar o vapor de água resultante para accionar a referida turbina a vapor; arrefecer o vapor na saída da turbina com água; reciclar a mistura de vapor arrefecida e água para o bico do motor de foguetão; e transformar a saída do segundo motor de foguetão num material combustível.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Fig. 1 é um diagrama de uma fonte de energia de motor de foguetão constituída por um motor de foguetão, meios de 7 compressor do motor de foguetão, um reactor de energia conservada e meios de distribuição; A Fig. 2 é um diagrama de uma fonte de energia de motor de foguetão fluindo para uma turbina de expansão cuja descarga é recomprimida por uma motor primário para que a maioria da descarga do compressor seja efectivamente reciclada para um reactor de energia conservada; A Fig. 3 é um diagrama de uma fonte de energia de motor de foguetão fluindo para uma turbina de expansão que faz parte de uma turbina a gás existente com utilização produtiva do seu compressor conectado; A Fig. 4 é um diagrama que mostra a fonte de energia de motor de foguetão fluindo para três turbinas de expansão em série intercaladas com câmara de combustão separados com fornecimentos independentes de oxidante vindo do meio compressor do motor de foguetão; A Fig. 5 é um diagrama que mostra uma fonte de energia de motor de foguetão em combinação com uma célula de combustível e um segundo reactor de energia conservada e uma turbina de expansão para optimizar a carga base e/ou a carga máxima para o fornecimento de energia; A Fig. 6 é um diagrama que mostra uma fonte de energia de motor de foguetão integrada com uma caldeira e utilizando transformações de combustível em dois andares; A Fig. 7 é um diagrama que mostra uma fonte de energia de motor de foguetão e uma caldeira com uma extensão de fluxo de gás quente para melhorar ainda mais o rendimento do sistema; A Fig. 8 é um diagrama que mostra duas fontes de energia do motor de foguetão num processo combinado para a pirólise e transformação de combustíveis para produzir etileno e gás de síntese. 8 A Fig. 9 é um diagrama que mostra a partição e a distribuição dos gases de escape recomprimidos da turbina de energia para optimizar a utilização de calor dentro do sistema. A Fig. 10 é um diagrama que mostra uma configuração de conversão quase total de energia para a produção de etileno e outros quimicos.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO E DAS FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS O processo de produção de energia compreende: proporcionar uma turbina adaptada para gerar trabalho num veio, a referida turbina tem uma câmara de combustão; e um motor de foguetão que tem um bico e meios de compressor; fornecer combustível e oxidante ao motor de foguetão; fornecer matéria carbonosa e água e/ou vapor para o bico do motor de foguetão; processar o produto que sai do bico do motor de foguetão transformando-o em combustível para a câmara de combustão da turbina; introduzir o referido combustível na turbina na câmara de combustão da turbina; encaminhar os produtos da combustão através de uma turbina; e reciclar uma parte substancial das descargas quentes vindas da turbina para o meio compressor do motor de foguetão: reciclar adicionalmente a descarga vindas do meio compressor do motor de foguetão para o bico do motor 9 de foguetão; opcionalmente, uma ou mais entradas secundárias a jusante do referido bico; e, opcionalmente, um fluxo comprimido para outras utilizações; e controlar a temperatura de entrada para a turbina.

As turbinas a gás adequadas adaptadas para gerar trabalho num veio incluem turbinas a gás comuns e avançadas normalmente disponíveis no mercado e fabricadas pelas empresas GE, ABB, Solar, Siemens e outras.

As câmaras de combustão de turbinas a gás adequadas incluem as câmaras de combustão dotadas com turbinas a gás ou as que são concebidas especialmente para o funcionamento com vapor a alta pressão.

Os motores de foguetão adequados incluem motores a jacto fabricados pela GE, Pratt & Whitney, Rolls Royce e outras; e queimadores fabricados pela T-Thermal, John Zink e outras; e motores a jacto e de foguetão fabricados pelos fabricantes de sistemas de propulsão para geradores magneto-hidrodinâmicos com temperaturas de estagnação até aos 5000 F, tais como TRW.

Os bicos adequados para motores de foguetão incluem os bicos de contracção/expansão do tipo deLaval.

Os combustíveis adequados para o motor de foguetão incluem metano, gás natural e destilados de petróleo.

Os oxidantes adequados para o reactor do motor de foguetão incluem ar e oxigénio. 10 0 processamento adequado do produto que sai do bico do motor de foguetão transformando-o em combustível para a câmara de combustão da turbina inclui um ou mais túneis quase adiabáticos e bicos dimensionados para gerar uma ou mais ondas de choque e produzir as propulsões a jacto para potenciar a energia do fluxo.

As temperaturas adequadas para a introdução do combustível para a turbina na câmara de combustão da turbina para que a temperatura da entrada da turbina esteja controlada dentro das limitações dos materiais existentes, i. e., até aos 2800 F para turbinas a gás novas. O meio adequados para reciclar a descarga quente vinda da turbina para o compressor do motor de foguetão incluem turbinas a gás, turbocompressores, motores a diesel e outros motores de combustão interna.

De um modo preferido, o produto que sai do referido bico do motor de foguetão e os referidos gases de escape quentes reciclados vindos da referida turbina são transformados numa atmosfera quase adiabática no referido combustível para a referida turbina. O termo atmosfera quase adiabática significa que a carga térmica do gás combustível, oxidante, matéria carbonosa e água que estão a ser fornecidos é preservada à excepção da radiação inevitável ou outras perdas para o ambiente.

Em certas formas de realização, a matéria carbonosa é introduzida na referida saída do referido reactor do motor de foguetão a jusante do referido bico a velocidades suficientes para transformar a referida matéria carbonosa no referido 11 combustível para a referida turbina. As velocidades adequadas para uma tal transformação incluem o fluxo subsónico e supersónico até Mach 2 e superior para completar as reacções e fornecer o fluxo à pressão da entrada da turbina. A matéria carbonosa é, de um modo preferido, metano, mas pode ser, alternativamente, gás natural e seus componentes, carvão de gás de petróleo, resíduos ou destilados, biomassa, carvão, carvão vegetal ou outros químicos adequados para a realização da pirólise ou combustão. De um modo preferido, o referido combustível também é metano.

Nalgumas formas de realização uma parte do referido hidrogénio é desviada para uma ou mais utilizações a jusante, por exemplo, células de combustível, reactores de redução de óxido de ferro, ou processos químicos como a hidrogenodessulfurização do destilado de petróleo, hidrogenação de hidrocarbonetos insaturados, a produção de amónia e álcool, etc. Nalgumas formas de realização, uma parte do referido hidrogénio ou outro combustível é reciclado por meios adequados para alimentar o motor de foguetão e propulsões de jactos a jusante.

Quando a transformação ocorre num grupo de reactores de transformação, é preferido que a pressão na referida saída do referido meio de compressão do motor de foguetão se conforme por meios adequados com a pressão em cada reactor de transformação.

Em certas formas de realização uma parte das referidas descargas quentes vindas do referida câmara de combustão da turbina é comprimida num compressor intermédio e reciclada directamente para um meio de distribuição de curto-circuito e 12 fornecido como calor e adições de massa, pelo menos, igualando ou potenciando a pressão, tipo jacto, em junções adequadas que potenciam a referida descarga quente.

Em geral, o produto que sai do referido bico do motor de foguetão sai do referido bico a velocidades transónicas. 0 termo velocidades transónicas significa próximo do sónico e supersónico até Mach 2 e superior, adequadas às reacções do processo e à manutenção do nível de energia do fluxo concebido.

Quando é necessário aumentar o rigor ou a selectividade da reacção no reactor ou numa série de reactores de transformação ou quando são desejadas condições operacionais mais suaves, um catalizador para a referida transformação é introduzido no referido do produto que sai do referido bico do motor de foguetão. Os catalizadores adequados incluem o óxido de manganésio e titanato de zinco. 0 trabalho num veio da turbina pode ser apenas para a produção de electricidade ou pode também incluir trabalho mecânico para accionar um ou mais compressores ou bombas. São possíveis uma ou mais turbinas, um ou mais câmara de combustão, e um ou mais meios de produção de electricidade.

Em certas formas de realização, um oxidante suplementar ou intermédio é adicionado à(s) referida(s) câmara(s) de combustão da turbina. 0 oxidante pode ser introduzido na(s) referida(s) câmara(s) de combustão da turbina para controlar eficazmente a temperatura da entrada da turbina. As temperaturas adequadas para as lâminas e os componentes da turbina são cerca de 1700 F para as turbinas a gás mais velhas, até cerca de 2800 F para as 13 concepções actuais da técnica. A temperatura da entrada da turbina pode ser aumentada de uma maneira consistente com as melhorias tecnológicas dos materiais para um funcionamento a temperaturas mais altas e com maior eficiência.

Em geral, um produto da referida transformação é o hidrogénio. Outros produtos podem ser por exemplo, dióxido de carbono, monóxido de carbono e vapor de água.

Outra forma de realização da invenção é um processo de produção de energia compreendendo: proporcionar uma turbina a vapor adaptada para gerar trabalho num veio; e um motor de foguetão que tem um bico e um meio compressor; fornecer matéria carbonosa e vapor aos bicos do motor de foguetão; fornecer combustível e oxidante ao motor de foguetão; processar o produto que sai do bico do motor de foguetão transformando-o em combustível para uma caldeira e combustível para um segundo motor de foguetão; ferver água na referida caldeira para produzir vapor de água; utilizar o resultante vapor de água para accionar a referida turbina a vapor; arrefecer o vapor na saída da turbina com água; e a reciclar a mistura de vapor arrefecido e água para o bico do motor de foguetão; e transformar a saída do segundo motor de foguetão num produto combustível. 0 produto combustível compreende geralmente hidrogénio. 14

Nalgumas formas de realização é introduzida água limpa no referido reactor de transformação ou grupo de reactores de transformação, reagindo assim no referido reactor ou reactores com a referida produção do referido motor de foguetão. De um modo preferido, a água limpa é introduzida com um rácio de peso aproximadamente igual ou maior que a descarga da turbina a vapor.

As formas de realização preferidas deste aspecto da invenção incluem proporcionar de um comutador de calor; um terceiro motor de foguetão tendo um bico; uma turbina a gás que tem uma câmara de combustão; fornecer combustível e oxidante ao referido terceiro motor de foguetão; encaminhamento do produto que sai do bico do referido terceiro motor de foguetão para o referido comutador de calor de modo a arrefecer o referido produto e para fazer o super-sobreaquecimento do vapor vindo da referida caldeira; e transferir o vapor super-sobreaquecimento resultante para a referida turbina a vapor.

Um aparelho adequado para a geração de energia a partir de combustível de acordo com a invenção compreende: uma turbina a gás tendo uma câmara de combustão; um reactor de motor de foguetão que tendo um bico e um compressor; meios de alimentação do combustível e o oxidante ao motor de foguetão; meios de processamento da saída do reactor de motor de foguetão em combustível para a câmara de combustão da turbina; meios para a introdução do referido combustível para a turbina na câmara de combustão da turbina; meios para a reciclagem da descarga quente vinda da turbina para o meio compressor do motor de foguetão; meios para a reciclagem adicional da descarga vinda do meio compressor do motor de foguetão para o bico do motor de 15 foguetão; opcionalmente, entradas secundárias a jusante do referido bico; e, opcionalmente, como um fluxo comprimido para outras utilizações; e para controlar a temperatura de entrada para a turbina a gás.

As turbinas a gás de alta pressão e alta temperatura que estão a ser desenvolvidas podem, com revisões à rentabilidade dos custos, ser aperfeiçoados de acordo com esta invenção para aumentar o seu rendimento térmico. Talvez os maiores ganhos deste aperfeiçoamento recaiam nas muitas turbinas a gás de grande rendimento, baixo rendimento, estacionárias que já estão instaladas e a operar numa amplitude de temperaturas mais baixa. Para além da recuperação da calor via a recompressão da reciclagem conservadora, a implementação do compressor accionado de um modo independente pode eliminar totalmente o trabalho de compressão da turbina de expansão da potência de saída, aumentando assim o seu rendimento em trabalho total e o seu rendimento mecânico. Este mesmo ganho é também obtido com uma nova instalação.

Esta invenção consegue o controlo da temperatura da entrada da turbina pela reciclagem da descarga da turbina com consequentes rendimentos elevados do ciclo do sistema. 0 capital é diminuído devido ao grau de compactação do reactor do motor de foguetão e da eliminação do equipamento do ciclo combinado e da sua infra-estrutura relacionada do sistema que reduz o rendimento. Os óxidos de azoto normalmente associados à produção de hidrogénio por formação de vapor são reduzidos devido às condições da reacção de vapor a alta pressão, ar a baixa pressão ou livres de azoto e ao aumento do rendimento do ciclo térmico. 16

Conforme mencionado, a invenção compreende a reciclagem de uma parte substancial dos gases de escape vindos de uma turbina de potência de expansão; complementando-os com adições de combustível e os produtos da combustão das referidas adições de combustível para os comprimir; a sua recompressão num processo independente de conservação de calor, compressão do jacto em fases e o seu retorno à turbina de potência de expansão; a reacção dos referidos gases numa fase de compressão de cobertura com um reactor de transformação de hidrocarbonetos por conversão de água-gás accionado por um motor de foguetão e/ou de conversão de água-gás (de aqui em diante referido como reactor de energia conservada), para a conversão termoquímica adicional resultando num combustível reciclável e combustível extra para outro fins fora do ciclo de energia de expansão; e; modulação da temperatura da entrada da turbina por reciclagem controlada dos fluxos acrescentados da descarga da turbina. A presente invenção alarga a técnica através do aumento do rendimento, redução do capital de gasificação e da minimização da poluição ambiental; e acrescenta capacidades para além do estado da técnica ao realizar a conversão e outras reacções de transformação noutro reactor de energia conservada. A reacção de conversão converte o monóxido de carbono em dióxido de carbono e hidrogénio adicional. As concepções de reactores de energia conservada sequenciais irão reduzir ainda mais as necessidades de capital e melhorar a vertente económica da unidade de processamento e da produção de energia.

Fazendo referência agora aos desenhos, a Fig. 1 mostra uma matéria 100 carbonosa e água 99 como alimento para as portas secundárias do bico 120 do motor de foguetão. Um motor 102 de foguetão é alimentado através da linha 101, de um modo 17 preferido, com metano. 0 oxidante, de um modo preferido ar, é fornecido ao motor 102 de foguetão a uma pressão máxima via a linha 103 a partir da fonte do oxidante. Opcionalmente, o oxidante é desviado na linha 104 até a câmara de combustão 105 da turbina a gás. A câmara de combustão 105 é também alimentada com combustível 106 para controlar a temperatura da entrada da turbina em combinação com a água 107.

Os gases de escape quentes vindos da câmara de combustão 105 expandem-se através da turbina 108 a gás. As descargas vindas da turbina na linha 109 podem ser direccionados como 110 para dentro de qualquer uma ou mais portas secundárias até aos bicos a jusante via as linhas 111, 112 e 113 relacionadas; ou uma parte ou toda ela como 114 pode ser desviada para se juntar e se tornar em fluidos cujo calor é recuperável transportados na linha 115. Como alternativa ao fluxo em 114, o fluxo 116 para dentro do compressor 117 fornece o fluxo como 118 à pressão do sistema para acomodar o equilíbrio do calor e da massa para o ciclo. Uma outra derivação 119 pode ser direccionada para a porta secundária do bico 120. Os reactores 121, 122 e 123 de transformação representam, respectivamente, água-gás, conversão, e zonas de tempo de passagem prolongado onde ocorre a transformação da descarga do motor de foguetão. Opcionalmente, estas zonas podem ser programadas como zonas sequenciais de choque transónico ou simplesmente como duas ou mais zonas de tempo de passagem. Os impulsos a jusante podem ser programadas pela combustão pós-jacto através da introdução do oxidante através das linhas 124, 125 e 126 para queimar com a matéria carbonosa não queimada.

As linhas não utilizadas entre as 111, 112, 113, 124, 125 e 126 podem ser programadas para introduzir outras matérias 18 reactivas. A extensão das utilizações depende da reactividade dos compostos presentes. Um reagente limpo, por exemplo, metano, para a conversão numa porta auxiliar do bico 120 pode necessitar não mais que duas zonas de reacção. Um carvão previamente limpo ou carvão de gás de petróleo poderia necessitar de uma zona adicional. Os produtos de alimentação sólidos necessitam adicionalmente da separação das partículas do fluxo que iria ocorrer num separador 127 de partículas. Outra utilização do separador 127 pode ser na recuperação de partículas arrastadas secundariamente para qualquer uma das seguintes funções através da descarga de: 1. partículas catalizadoras; 2. obtenção de minerais para a captura de metal alcalino em processos de biomassa; 3. bobinas para Captura de Enxofre, como óxido de manganésio ou titanato de zinco para carvão, carvão de gás, e óleos residuais; 4. Partículas de Ferro para Reacções de Ferro e Vapor para produzir esponja de ferro, produzir hidrogénio para células de combustível e outras utilizações, e para reciclar-reduzir óxidos de ferro; 5. Outras Partículas Metálicas como latão e zinco para reacções termoquímicas; e 6. Partículas Neutras para transferir calor para partículas, gases e vapores mais leves e com fluxo mais rápido.

Qualquer um ou mais dos itens acima mencionados pode ser introduzido por arrastamento num fluido que seja quimicamente compatível com o processo. Alguns processos podem necessitar de, pelo menos, mais um separador 127 que pode ficar em série numa 19 cascata configurada de modo a que os gases produzidos fluam totalmente para o bico 128, que pode servir como uma contra-pressão para o processo seguinte que utiliza gás natural, sendo a matéria carbonosa limpa ou previamente limpa convertida para combustão directa para expansão da turbina, ou um processo integrado de célula de combustivel/turbina. Uma capacidade do conjunto de reactores propulsionados com o motor de foguetão é a de produzir um gás combustível para ser utilizado directamente na combustão, descrito nas formas de realização posteriores. Outra capacidade do conjunto de reactores propulsionados com o motor de foguetão é o de forçar as reacções a esgotarem-se em direcção à temperatura final mais baixa da reacção através de alimentação programada, doseada e controlada do reagente. Isto é útil quando se deseja a máxima produção de hidrogénio para uma subsequente utilização química. A maioria dos reactores de conversão, na prática, faz o arrefecimento rápido da reacção para preservar a sua composição química final. Pelo contrário quando apropriado, esta invenção queima o gás produzido no final da reacção para a temperatura final da reacção predeterminada por estoquiometria que termina na estação 129 do meio de distribuição do reactor de energia conservada.

Por outro lado, quando a temperatura final da reacção não está conforme às ainda mais baixas temperaturas necessárias no processamento a jusante, então a reacção tem de ser arrefecida rapidamente. De modo oposto, um processo tal como a pirólise pode necessitar de um arrefecimento rápido para interromper a sequência da reacção e congelar as desejadas espécies químicas intermédias. Exemplos incluiriam o cracking de metano para produzir acetileno e etileno; cracking de etano para produzir etileno; e o cracking de propano, butano e destilados de 20 petróleo para coproduzir o hidrogénio, o etileno, polipropileno, buteno, butadieno e outras diolefinas e compostos aromáticos.

Quando oxigénio é o oxidante de escolha e a sua fonte está disponível no mercado à pressão necessária para o processo, é eliminada a necessidade do meio compressor de oxigénio separado. Caso contrário, um meio compressor pode servir para reforçar a pressão do oxigénio. A linha 130 mostrada em derivação da fonte do oxidante destina-se a fornecer oxigénio ou ar a qualquer uma ou mais das portas secundárias às estações 120, 131, 132 e 128 de bico para aumentar o impulso no fluxo devido à combustão pós-jacto. Uma fonte de ignição é proporcionada quando o fluxo em contacto está abaixo da temperatura de auto-ignição ou reacção. As linhas de ignição não estão mostradas mas são semelhantes à linha 133. A função da combustão pós-jacto é a de reforçar o arrastamento, criar o choque, e/ou compensar pela perda de carga por fricção para manter a pressão na estação 129. O compressor 134 é mostrado alimentado pela câmara de combustão 105 e turbina 108. Todavia, o compressor 134 pode ser alimentado por uma motor primário, por exemplo, um motor a diesel, desde que, de um modo preferido, a composição do seu combustível seja quimicamente compatível com o fluxo no reactor de energia conservada; caso contrário, a descarga tem de ser exportada para utilizações de recuperação.

Os gráficos de equilíbrio padrão são utilizados como linhas guias para fazer o arranque e manter o processo de conversão de modo a evitar a formação de carbono sólido ou carvão de gás. 21

Este processo tem a capacidade de fabricar produtos extra, por exemplo, podem ser produzidos gases de síntese para amónia ou álcoois, gases submetidos a um processo de cracking por pirólise para etileno e petroquímicos.

Reacções de Base Típicas para o Reactor de Energia Conservada

As equações principais que se relacionam selectivamente com qualquer forma de realização incorporando o reactor de energia conservada descrito em relação à figura 1 são as que se seguem. As equações básicas são as seguintes:

Equação (1) C+H20 — CO+H2 ΔΗ =+28 kcal Água Gás

Equação (2) C0+H2+H20 — C02+2H2 ΔΗ =-9,8 kcal Conversão

Equação (3) CH4+H20 ^ CO+3H2 ΔΗ =+49,3 kcal

Equação (4) CH4+2H20 - C02 + 4H2 ΔΗ =+39,5 kcal A Figura 1 mostra também como o combustível adicional pode ser produzido para além de aumentar o rendimento do ciclo de energia. Ela mostra o reactor a descarregar 3h2 + n2 como gases de síntese para o processo de amónia e combustível adicional como H2+0,333N2 que pode ser utilizado para produzir mais vapor ou para alimentar o motor de foguetão para exportar dentro da unidade. 22

As duas equações que se seguem ilustram as reacções com autonomia térmica básicas que ocorrem no reactor para produzir estes gases:

Equação (4) CH4+2h20 ^ C02+4H2 ΔΗ =+39,5 kcal; e

Equação (5) 0,176CH4+2H20+0,35302+1,333N2 - 0,176CO2+0,353H20+1,333N2 ΔΗ =-33,6 kcal A soma das reacções (4) e (5) produzem o seguinte: 4H2 + 1,333N2 gases de síntese de amónia 1,176C02 + 1,333N2 combustível excedente para o aumento da água de escoamento e/ou reciclagem do reactor; ou para exportar da unidade 1,176C02 + 1,333N2 também para exportar da unidade

Esta é outra característica especial deste processo, í. e., a provisão para produzir produtos extras. Os gases de síntese para amónia podem também ser produzidos nas formas de realização mais adiante utilizando turbinas a gás. As equações (1) a (4) de conversão de água-gás podem ser aplicadas a todas as formas de realização desta invenção dependendo da matéria carbonosa a ser convertida. Metano ou gás natural estão relacionados com as equações (3) e (4) enquanto que o carvão, o carvão de gás de petróleo e biomassa e óleos residuais podem ser processados via as equações (1) e (2) de conversão de água-gás. A reacção água-gás produz H2 + CO geralmente do primeiro reactor e mostrado como linhas 141 e 142 dependendo da utilização final como gás de 23 combustível do processo ou gases de síntese. 0 significado do equilíbrio nesta invenção é explicado, por exemplo, em relação à Equação 4 que produz quatro moles de hidrogénio e um mole de dióxido de carbono. Com objectivos práticos, é mantida uma relação de quase linha recta na escala logi0K positiva dos cinco ao zero correspondendo a temperaturas, respectivamente, de 1600 K a 880 K (Wagman, et al.,) ou de 2400 F a 1100 F, aproximadamente. Temperaturas mais elevadas também favorecem naturalmente o equilíbrio. (As constantes de equilíbrio são de Wagman et al.,) .

De modo a compreender o significado particular do equilíbrio com esta invenção deve ser conceptualizado um jacto com uma temperatura muito alta, digamos de 4000 F, rico em vapor a completar progressivamente o equilíbrio, partícula a partícula da matéria carbonosa em interacção à medida que elas descem na função logioK que descendente progressivamente e correspondentes temperaturas descendo até aos 1100 F e inferior, por ser possível com pressão fazê-lo em pequena medida na amplitude de log^K negativa. Progredindo para uma temperatura baixa é benéfico se o gás combustível tiver de ser dessulfurizado. É também por vezes útil, neste caso, separar o dióxido de carbono do hidrogénio, conforme mostrado pelas linhas 143 e 144. Uma outra vantagem da progressão de uma reacção especificada por estoquiometria até à conclusão a uma baixa temperatura é que é necessária uma menor quantidade de matéria carbonosa ou combustível e menos oxigénio para o calor endotérmico, o que resulta em menos dióxido de carbono nos efluentes gasosos.

Por outro lado, se o reagente for um carvão previamente limpo, pode ser útil fazer progredir a reacção até uma temperatura final mais elevada para utilização na câmara de 24 combustão 129 da turbina, em que a reacção é definida pela queima através da linha 133. Todavia, um gás combustível gerado a partir de carvão previamente limpo exige a remoção da sua cinza volante no separador 127 através da linha 145 antes de ser queimado na câmara de combustão 129.

Flexibilidade para a pirólise

Esta invenção pode também ser utilizada como sistema de reacção para a pirólise conforme mostrado na Fig. 1 para realizar a pirólise convencional a uma temperatura moderada ou a pirólise total a uma temperatura elevada. A temperaturas moderadas o etano, propano, butano e destilados de petróleo podem ser submetido a um processo de cracking para produzir etileno e acetileno e outras olefinas e diolefinas como o propileno, butileno, butadieno e os líquidos hidrocarbonetos aromáticos. As temperaturas elevadas, o metano pode ser submetido a um processo de cracking para produzir principalmente hidrogénio, etileno e acetileno. 0 cracking de hidrocarbonetos não-metano a temperaturas elevadas resulta numa conversão virtualmente total para produzir uma distribuição de produto em grande parte livre dos compostos cíclicos, óleos e asfaltos aromáticos e altamente aromáticos que são normalmente produzidos.

As patentes U.S. 4724272 de Raniere et al., e 5300216 de Hertzberg et al., explicam que o aquecimento e o arrefecimento no fluxo transónico têm de ser realizados em tempos de passagem precisos em relação ao tipo do choque e ao local do choque. Os peritos na técnica sabem que o arrefecimento rápido até uma temperatura de cerca de 1100-1300 F é importante para preservar 25 as produções dos produtos desejados e minimizar a formação de carvão de gás. 0 motor 102 de foguetão e a secção 120 de bico desta invenção acoplados aos reactores 121, 122 e 123 acima descritos representam uma unidade que tem um comprimento de reactor flexível, a capacidade de criar diferentes características de choque ao longo da trajectória da reacção e de arrefecimento através das portas 111, 112, 125 e 126 com diferentes gravidades de tempo-temperatura da reacção do processo de cracking. Estão disponíveis muitos graus de liberdade uma vez que qualquer um ou mais dos referidos locais e incluindo a secção 120 de bico à frente dos locais de arrefecimento rápido seleccionados podem, opcionalmente, ser utilizados para as entradas transónicas de massa e adições de calor ao fluxo principal. O arrefecimento rápido pode ser total ou parcial e directo ou indirecto ou uma combinação destes. O meio de arrefecimento rápido directo pode ser água, vapor, hidrocarbonetos e gases inertes. O arrefecimento rápido indirecto é conseguido num comutador de calor (não mostrado) no ou próximo do local 127 em vez do separador mostrado. Os produtos submetidos a um processo de cracking arrefecidos são descarregados através da secção 28 de bico e distribuídos via a linha 146 para serem processados ainda mais em meios adequados.

Flexibilidade para a Produção Combinada de Gases de Síntese e Produtos submetidos a um processo de cracking

As patentes U.S. 4136015 e 4134824 de Kamm et al., explicam um processo para o cracking térmico de hidrocarbonetos e um processo integrado para a oxidação parcial e o cracking térmico 26 de produtos de alimentação de petróleo bruto. São seleccionadas condições de cracking com tempo-temperatura moderados que resulta na produção substancial de produto liquido e de alcatrão que têm de ser tratados com dificuldade dentro dos seus processos e nos processos a jusante.

Com esta invenção, é também possível a combinação de transformações de conversão de combustível e pirólise. É preferido o funcionamento a temperaturas elevadas para que sejam alcançadas a quebra e conversão completa de produtos de hidrocarbonetos submetidos a um processo de cracking normalmente líquidos ou sólidos. Em modo combinado, os gases de síntese são primeiro produzidos num ou mais reactores de energia conservada conforme acima descrito. Depois, num reactor de energia conservada a jusante, os reagentes da pirólise são introduzidos nos gases de síntese de vapor a pressão elevada e hidrogénio elevado que flúem do primeiro reactor de energia conservada e a pirólise total é realizada conforme descrito previamente. A presença de hidrogénio em quantidades relativamente grandes durante a pirólise acrescenta para produzir uma selectividade no sentido dos produtos desejados. A presença de vapor em quantidades relativamente grandes durante a pirólise reduz a tendência para a formação de fuligem ou carvão de gás.

Para potenciar ainda mais a reactividade, para acelerar ainda mais as velocidades de aquecimento e melhorar ainda mais a selectividade no sentido dos produtos submetidos a um processo de cracking desejados, pode ser adicionado um oxidante suplementar através das portas secundárias do bico. No modo combinado de transformação de combustível - pirólise é preferido o arrefecimento directo com água uma vez que o vapor produzido desta maneira, in situ, é útil na geração de energia na turbina. 27

Os produtos submetidos a um processo de cracking são encaminhados através de uma turbina para um arrefecimento adicional através da extracção isentrópica do trabalho e flúem para outros processos convencionais de separação. Pode ser realizada a pirólise com uma temperatura alta ou com uma temperatura moderada dependendo da matéria prima, produtos finais desejados e factores económicos. 0 arrefecimento rápido directo ou indirecto ou da reacção combinada pode ser realizado dependendo da matéria prima, produtos finais desejados e factores económicos. A Figura 8 é um diagrama de um processo de pirólise e transformação de combustível para etileno e gases de síntese. 0 processo a ser descrito é representativo, em geral, da produção de outros hidrocarbonetos. 0 metano é fornecido através do compressor 134 e é distribuído para se adequar a uma pressão elevada na linha 800 para dentro da câmara de combustão 102, linha 801, secção 120 de bico e linha 802 como uma opção para a combustão pós-jacto. Uma fracção do metano é queimada com oxigénio na câmara de combustão 102 para o requisito endotérmico da seguinte reacção de transformação na forma de:

Equação (1) CH4+H20 ^CO+3H2 ΔΗ =+49,3 kcal O metano remanescente na câmara de combustão 102 serve para potenciar a massa do jacto. Os gases de síntese produzidos no reactor de energia conservada são distribuídos para de adequarem a três finalidades diferentes: 1. Uma fracção é reciclada para a câmara de combustão 105 de combustível do meio compressor do motor 28 a jacto. A descarga resultante da turbina 108 é recomprimida pelo compressor 117 e é distribuída ao longo do reactor conforme mostrado; 2. Uma fracção é produto dos gases de síntese; e 3. A fracção remanescente é fornecida sob pressão a uma câmara de combustão de motor de foguetão de segunda fase e queimada com oxigénio para formar o jacto da pirólise na forma e com a amplitude de: CO + 2h20 para C02 + 3H20 para submeter o etano ao processo de cracking para a produção de etileno conforme descrito previamente. Conforme descrito previamente, a câmara de combustão do motor de foguetão pode funcionar a temperaturas de estagnação até os 5000 F e a pressões de estagnação relativamente ilimitadas. Também está descrita a flexibilidade do reactor de energia conservada para o local do choque e os choques suplementares a jusante. Como nota adicional, metano, matéria carbonosa, como carvão e óleo residual, podem ser processados produzindo então gás de síntese na forma e com a amplitude de: CO + H2 para C02 + 2H2

Finalmente, a arrefecimento rápido até aos 1300 - 1000 F é necessário com água, vapor, um hidrocarboneto ou gás inerte no ponto óptimo de gravidade do processo de cracking a fim de congelar os produtos desejados de reacção intermédia. Qualquer cinza volante é removida no separador no local 127. 29

Muitas outras reacções de transformação de acordo com a invenção ocorrem em condições próximas do sónico e supersónico com velocidades de passagem relativamente elevadas entre os reagentes que se quebram em zonas de choque com os subsequentes fluxos subsónicos. A reactividade intensa é passível de ser obtida desta maneira com temperaturas de jacto primárias até aos 5000 F (realizadas em fluxos magnetohidrodinâmicos) e pressões elevadas ilimitadas por questões práticas.

Olhando agora para a pressão, é sabido que o aumento da pressão favorece muitas reacções químicas. Conforme acima mencionado, as pressões baixas são adequadas à gasificação da biomassa. É também bem conhecido que a biomassa é muito mais fácil de gasificar que o carvão, em que as reacções ocorrem a temperaturas mais baixas e a pressões próximas da pressão atmosférica. 0 carvão é processado de um modo optimizado a pressões mais elevadas.

Esta invenção incorpora alternativas adequadas para variar a pressão do reactor para conversão e, ao mesmo tempo, conservar a energia da fonte de energia do motor de foguetão para convversão pela função de reciclagem. A distribuição de pressão faz-se conforme descrito previamente em relação à Fig. 1, em que o fluxo de fluidos quentes recuperáveis vindos do compressor 134 é desviado para a linha 136 para alimentar a câmara de combustão 105. O fluxo remanescente é dividido para dentro de uma linha 137 de ramificação que alimenta a câmara de combustão 102 do motor de foguetão e a linha 138 de ramificação para alimentar qualquer uma ou mais portas auxiliares a jusante do jacto 120 do bico de potência. 30

Os fluxos em 137 e 138 não são necessariamente fixos. Aumentando o fluxo em 137 provoca uma correspondente diminuição em 138. Ser capaz de controlar esta alteração mútua permite uma maior ou menor temperatura na câmara de combustão 102 para a oxidação total ou parcial que pode ter o efeito oposto de um fluxo de oxidante através da ramificação 138, e isto pode ser compensado com uma alimentação maior ou menor de matéria carbonosa e água através das linhas 100 e 99.

Uma alteração mútua semelhante da ramificação é realizada da linha 109 de descarga vinda da turbina 108. Esta situação foi descrita previamente com um desvio rotineiro. O significado desta alteração mútua aqui relatada refere-se à recuperação do calor e da massa da descarga. Em operações de pressão relativamente baixa todo ou a maioria do fluxo através da linha 109 pode continuar através da linha 110 e ser distribuído selectivamente ao longo de e a jusante para dentro do reactor. Por motivos relacionados com o processo ou para obter um efeito de arrastamento mais forte, o mesmo fluxo pode ser redireccionado através da linha 119 onde o jacto de combustão tem o maior efeito de arrastamento, cujo efeito pode ser ainda mais ampliado através do aumento da temperatura na câmara de combustão 102. A necessidade de direccionar o fluxo da descarga através da linha 116 para ser comprimido mecanicamente com o fluxo oxidante na linha 139 através do compressor 134 é aqui menor devido à pressão baixa característica do processo. Todavia, ocorrem funções semelhantes nas formas de realização mais recentes de turbinas de expansão que funcionam a pressões tão altas como as 30 atmosferas na estação 129. A estação 129 serve então coma 31 câmara de combustão de alta pressão e temperatura elevada da turbina. Neste caso, os fluidos com calor recuperável, linha 115, são substituídos por uma grande parte da descarga que é recomprimida a par com o fluxo na linha 116. Depois, o fornecimento dos fluidos com calor recuperável para todas as câmaras de combustão é feito a partir de outra fonte a ser mais adiante descrita nas respectivas formas de realização. Todavia, em cada caso, a energia produzida pelo motor de foguetão e o seu meios compressor tem de manter em estado estacionário o fluxo de reciclagem com uma composição química consistente num ciclo quase adiabático ao mesmo tempo que conserva uma parte substancial da energia da descarga para uma mais eficiente alimentação do meio da turbina de expansão que fornece energia mecânica ou electricidade.

Neste caso, para recuperar uma parte substancial do calor e da massa da descarga, a flexibilidade proporcionada pelas opções de alteração mútua da ramificação acima descritas da linha 109 servirão para optimizar o sistema de reciclagem para fornecer um fluxo constante e consistente da massa aa câmara de combustão 129, aqui a alimentar o meio de turbina de expansão. A maior parte do calor que volta através do sistema irá converter a matéria carbonosa em gás combustível para a câmara de combustão da estação 129. Qualquer calor sensível adicional no fluxo para a estação 129 é conservado para fluir através da turbina 140 a gás. Para evitar uma acumulação na reciclagem, a necessária exportação de dióxido de carbono, azoto e vapor de água mínimo irá servir para pré-aquecer do combustível, dos fluidos com calor recuperável e para outras utilizações na unidade. Estas situações serão descritas em mais pormenor nas suas respectivas formas de realização. 32 A invenção pode compreender turbinas de expansão; turbinas com trabalho num veio parasita e múltiplas disposições de turbinas.

Caso 1 - Fonte de Energia de Motor de Foguetão para uma Única Turbina e Turbinas com Múltiplas Andares

Na Fig. 2, a câmara de combustão 129 para o meio 200 de turbina de expansão fornece energia ao gerador 201. Pode ser utilizada qualquer carga de energia transmitida mecanicamente. O meio de turbina pode ser uma única turbina, uma turbina linear com múltiplas fases, ou uma turbina com múltiplas fases com aquecimento entre as fases. De um modo preferido, a fonte da temperatura e pressão que se desenvolveram na câmara de combustão 129 é a fonte de energia de motor de foguetão descrita previamente em relação à Fig. 1. A fonte de energia de motor de foguetão inclui também o reactor ou transformador de energia conservada. A sua função é não apenas a de transformar as matérias carbonosas introduzidas através da linha 124 num gás combustível produzido utilizável para dentro da câmara de combustão 129, mas também a de converter todo ou a maioria da energia dispendida na compressão e aquecimento no meio compressor do motor de foguetão, no conjunto motor de foguetão e reactor de energia conservada em gás combustível produzido (e o seu calor sensível) fluindo para dentro da câmara de combustão 129 . A função abrangente desta forma de realização é a de reciclar uma parte substancial da parte da descarga vinda da última turbina do referido meio de expansão, exceptuando o que tem de ser exportado do ciclo (pelo menos, para a transferência 33 directa do calor e da massa) para evitar a acumulação no processo. De igual modo, a descarga 202 é ramificada em 203 e continua como 204 depois de ser aumentada a sua pressão através do compressor 205, para o aquecimento entre fases no meio 200 de turbina. O compressor 205 a ser alimentado pela turbina 108 pode ser controlado independentemente na sua velocidade por um meio adequado. É essencial que a massa e a química do ciclo maior ou global permaneçam no estado estacionário; por esta razão a massa 206 de exportação tem de ser substituída por uma massa equivalente com uma química agregada compatível para proporcionar a continuidade. Por exemplo, se o combustível de escolha for o CH4, a reacção na câmara de combustão 129 é organizada da seguinte maneira:

Equação (1) CH4+ 2 Ar + x reciclagem — C02 + 2H20 + 7,5N2 + x Reciclagem onde Reciclagem = C02+2H20+7,5N2 e onde x é maior quanto menor for a da temperatura da entrada da turbina concepção, em que x (C02+2H20+7,5N2) pode substituir qualquer queima de ar excedente na prática habitual. A equação (1) é reescrita da seguinte maneira quando o oxidante preferido é o oxigénio:

Equação (2) CH4 + 2 Oxigénio + x Reciclagem — C02 + 2H20 + x Reciclagem onde Reciclagem = C02+2H20 e onde x (C02+2H20) é o substituto do ar excedente. O termo x pode ser qualquer número ou um número misturado. O fluxo exportado em 206 tem de ser igual a C02+2H20 34 mas pode ser ligeiramente maior para o equilíbrio do ciclo desde que o seu agregado químico equivalente entre novamente no ciclo para assegurar a continuidade do fluxo da massa.

Voltando agora ao compressor 134 em que os combustíveis para o motor 102 de foguetão e a câmara de combustão 105 são fracções de metano da concepção do valor calorífico, consideradas como sendo a soma do calor que chega aa câmara de combustão 129 incluindo quaisquer adições de combustão pós-jacto. O compressor 134 recebe e descarrega o fluxo 207 que é ramificado para dentro de 208, 209 e 210. A linha 208 entra na câmara de combustão 105 e a sua função principal, em proporção, é a de gerir a temperatura de entrada do fluxo 209 da câmara de combustão para dentro da turbina 108 com uma amplitude adequada para o equilíbrio da reciclagem em que a fracção do fluxo 210 que se torna em 211 é opcional no equilíbrio desde o fluxo zero até um máximo igual ao do 210. Segue-se então que quando 210 é algo maior que zero no equilíbrio, ele é mantido em zero para o arranque. A compatibilidade do motor de foguetão, ou em combinação com as propulsões da combustão pós-jacto a jusante depende da diferença entre a pressão superior no motor 102 de foguetão e a concepção de pressão para a câmara de combustão 129. As câmara de combustão 102 e 129 compensam mais do que apenas marginalmente as seguintes perdas de carga: 1. Bico do Motor de Foguetão; 2. Fricção; 3. Arrastamento da Propulsão; 4. Distribuição da Descarga do Meio Compressor do Motor a Jacto. 35

De facto, estas perdas convertem-se em calor in situ entre os câmara de combustão 102 e 129 e, consequentemente, convertem-se endotermicamente em combustível útil com algum aumento do calor sensível nos produtos que flúem para a câmara de combustão 129 .

Pelo menos num futuro próximo, as turbinas a gás avançadas serão concebidas para temperaturas até os 2800 F com o arrefecimento das lâminas e a pressão da câmara de combustão até às 30 atmosferas. Esta invenção não tem qualquer limite máximo prático para a pressão de estagnação na câmara de combustão 102, mesmo que as turbinas a gás avançadas sejam planeadas para pressões muito mais elevadas que as 30 atmosferas, ou estejam disponíveis utilizações para o processamento de hidrogénio a pressões mais altas.

Tendo em vista estas condições limítrofes, a diferença da pressão de estagnação entre os câmara de combustão 102 e 129 tem também de ser reconciliada com os requisitos de calor endotérmico para a transformação e o conteúdo de calor sensível ou o gás combustível produzido e a concepção da propulsão aero-termoquímica. Esta utilização de calor tem, em primeiro lugar, de ter em conta aquela parte do calor da descarga vinda da turbina e o calor de compressão que o fornece ao motor de foguetão - a sequência de reactor de energia conservada. Por exemplo, em aplicações onde existe uma grande diferença de pressão entre os câmara de combustão 102 e 129, é mais energético para o meio compressor do motor de foguetão fornecerem os gases de escape ao comboio de arrastamento em direcção à extremidade inferior da cascata de pressão mas ainda acima da pressão de concepção em 129. 36

Por outro lado, quando a pressão em 129 está bastante abaixo da pressão alta que o estado da técnica avançada (í . e., as 30 atmosferas) para as turbinas a gás, como 20-25 atmosferas, então o modo preferido é o de operar o fluxo em 212 através do compressor 213 no seu máximo (i. e., igual a 210). Esta situação refere-se a um fluxo zero em 211 e simplifica o equilíbrio do ciclo em relação ao agregado químico consistente no fluxo da massa.

Para além de considerar como a variação do fluxo anterior afecta a pressão de concepção na câmara de combustão 129, o critério principal é, em último lugar, a escolha de um equilíbrio do ciclo que alcance o maior rendimento do trabalho total do meio de turbina com a maior recuperação da reciclagem de uma situação relacionada óptima dos gases de escape. Este critério exige a iteração da pressão de concepção até um valor mais baixo que as 30 atmosferas, como para as aplicações a pressões mais baixas para a montagem retroactiva das turbinas a gás existentes que operam até às 25 atmosferas. Esta situação será abordada em mais pormenor na próxima forma de realização.

Voltando ao meio compressor do motor de foguetão, a fracção de combustível, linha 316, é dimensionada para a compressão do fluxo de massa seleccionada através do compressor 134. Uma vez que os calores irreversíveis da segunda lei interna são conservados de um modo adiabático, podem ser utilizadas relações isentrópicas ideais, pelo menos, como uma primeira aproximação na determinação do trabalho total vindo da expansão da turbina. Para ilustrar o controlo da temperatura da entrada da turbina e as funções de reciclagem desta invenção, segue-se um modo mais simples de queima do CH4 sem transformação: 37 CH4 + 202 + 4,5 [C02 + 2H20] -» {C02 + 2H20 + 4,5[C02+2H20]}

ΔΗ=-191,7 kcal a 2515 F É tomada a liberdade para simplificar e apresentar uma análise segura do trabalho da turbina para a situação acima, utilizando as Tabelas de : Gás de Keenan e Kaye para 200% de Ar Teórico. Esta situação representa um mole de uma libra de qualquer gás a 2515 F e a 25 atmosferas expandido até uma atmosfera e 943 F: 25 atmosferas 2515 F hi = 23 753 Btu/libra mole de produtos 1 atmosfera 943 F h2 = 10 275 h3 = 13 478 h3 representa o trabalho de expansão ideal da turbina.

Os 200% de ar teórico referem-se a um peso molecular médio do produto de combustão de 28,9, enquanto que a média para 5,5 [C02+2H20] é 26,7. O valor seguro para a determinação da Btu/libra do produto é 28,9. O valor mais baixo para esta situação é o seguinte: h3' = 13478/28,9 = 466 Btu/libra de produtos

Calor total dos produtos = 440 libras x 466 Btu/libra = 205040 Btu

Eficiência de trabalho da turbina = calor dos produtos / conteúdo de calor de 1 mole de CH4 = [205040/344160] x 100 = 59,6% ou aproximadamente 60% em relação a um mole de metano 38 0 mínimo teórico para a recuperação exige que a entrada de combustível em estado estacionário tenha igual quantidade de calor que o trabalho de expansão. Isto é, de 60% para este exemplo e refere-se a 13478 Btu/libra mole de produtos a expandirem através do meio de turbina, de aqui em diante referenciados simplesmente por turbina. O objectivo é o de desenvolver uma pressão de estagnação na câmara de combustão do jacto que esteja bastante acima da pressão da entrada da turbina, que é aqui tida como sendo de 25 atmosferas. Um outro objectivo é, de um modo preferido, o de proporcionar uma parte substancial do fluxo de reciclagem a ser comprimido pela propulsão de jacto na trajectória quase adiabática, de aqui em diante referenciada por túnel, desde a câmara de combustão de jacto até à entrada da turbina.

Esta situação destina-se a tirar vantagem do potencial termodinâmico dos 5000 F que não é praticável com os compressores giratórios. A menor eficiência na transferência do momento é compensada porque o aumento no calor sensível é contido para a expansão desde que a pressão de estagnação que acciona o jacto seja ajustada para cima, e ele pode ser para fornecer a temperatura da entrada da turbina desejada. A operação anterior requer dois compressores em paralelo em vez do compressor 134 mostrado, em que compressor fornece uma parte mais pequena do fluxo de reciclagem a uma pressão bastante acima da pressão da entrada da turbina para dentro da câmara de combustão 102 de jacto para aumentar os produtos de combustão e assim aumentar a força de arrastamento da massa do jacto. O outro compressor fornece a maior parte do fluxo de reciclagem para dentro de uma ou mais portas secundárias do túnel a 39 pressões algo inferiores à pressão da entrada da turbina para ser arrastada e reforçada em pressão pela massa do jacto e ainda conforme necessário a jusante pela propulsão pós-jacto.

Num modo mais simples, o fluxo vindo do compressor 134 é dividido para que o menor fluxo seja direccionado para a câmara de combustão de jacto e o maior fluxo à mesma pressão possa ser direccionado imediatamente para jusante do jacto para dentro de uma ou mais portas secundárias da secção 121 do bico, ou ser ainda mais subdividido para fluir para dentro das portas 111, 112 e 113 ao longo do túnel. Neste modo, a potência de jacto é aumentada conforme necessário pelo aumento da temperatura de estagnação da câmara de combustão do jacto.

Outra alternativa que engloba algumas de entre uma ou ambas as funções dos modos acima descritos com a diferença distinta de a pressão de entrada no túnel dos fluxos de reciclagem ser ligeiramente menor que a pressão da entrada da turbina e de a câmara de combustão de jacto ser alimentado de uma maneira independente com combustível e oxigénio a qualquer temperatura e pressão adequadas dentro dos limites de concepção do motor de foguetão em que a sua pressão é desenvolvida de uma maneira independente por um dos compressores em paralelo (anteriormente descrito mas não mostrado) e, consistentemente, a pressão do fluxo de reciclagem seria desenvolvida de uma maneira independente pelo outro compressor em paralelo.

Os modos acima descritos ilustram a vasta gama de operações a serem determinadas e optimizadas selectivamente através de análises em computador e concepção do túnel com base nas dinâmicas avançadas de gases para a propulsão a jacto. 0 40 objectivo é o de partilhar o combustível necessário para a distribuição do recompressor em relação a: 1. o meio compressor intermédio; 2. a temperatura e pressão de estagnação do motor de foguetão; 3. as propulsões de jacto em túnel. tudo em consideração da parte da descarga a ser recuperada e recomprimida dentro do ciclo. A informação que se segue dá seguimento ao exemplo anterior para o caso em que todas recompressões até 25 atmosferas ocorrem no meio compressor intermédios e 50% da descarga é seleccionada para a reciclagem e a recuperação de calor. 1. Reciclar 50% como 2,75 [C02+2H20] e dividir o mesmo em dois fluxos de 1,375[C02+2H20] massa CH4 relacionado (libras) (moles) 2. Massa total da descarga 440 1,0 5,5[C02+2H20] 3. V2 da massa da descarga 220 0,5 2, 75[C02 + 2H20] 4. v4 da massa da descarga 110 0,25 10375[C02+2H20] 41 5. Fluxo (3) é comprimido 220 isentropicamente pelo compressor 134 6. Fluxo (5) é dividido igualmente 110 1,375 é fornecido a 2515 F como temperatura da entrada da turbina 7. A outra metade de 1,375 é fornecida aa câmara de combustão 108 para o controlo da temperatura da entrada da turbina, í. e., a par do produto (5) de combustível 1,375[C02+2H20] 110 0, 500[C02 + 2H20] 80 8. Juntos são 190 1, 875[C02 + 2H20] 9. A descarga (8) é recomprimida pelo combustível adicional fluindo sequencialmente para dentro da câmara de combustão 108 para 190 190/440 = 0,43 10. Todavia, 0,43 [C02 + 2H20] é recomprimido adicionalmente in situ como 34,5 libras 34,5 11. Massa e combustível total utilizados para as referidas recompressões: 0,5 0,25 0, 43 0, 08 (5) 220 (9) 190 (10) 34, 5 444, 5 1,01 x 440 = 444, 4 0,50 0, 43 0,081, 01 42

Nota: Embora as recompressões acima descritas estejam mostradas para ocorrerem sem qualquer recompressão do motor de foguetão, a análise representa, todavia, a totalidade do combustível que é necessário independentemente de como as recompressões são divididas (neste exemplo) entre o motor de foguetão, o meio intermédios de recompressão e as propulsões de jacto a jusante.

Embora seja preferida a alimentação com oxigénio, não é descurada a utilização de ar. Um exemplo paralelo em relação a um mole de metano dá: CH4 + 2O2 + 7,5N2 + [CO2 + 2H2O + 7,5N2] ^ CO2 + 2H2O + 7, 5N2 + [CO2 + 2H2O + 7,5N2]

Esta situação representa um fluxo de massa através da turbina de 580 libras. Utilizando mais uma vez o rendimento do trabalho, h3 = 13478 Btu/libra mole de produtos / 28,9 = 466 Btu/libra Fluxo total do calor 580 libras x 466,4 = 270512 Btu Trabalho da turbina = (270517/344160] x 100 = 78,6% em relação ao um mole de metano O procedimento de recuperação com ar é semelhante ao descrito para o oxigénio. Todavia, se metade do calor da descarga e da massa relacionada for conservada, i. e., 21,4%/2 = 10,7%, então o rendimento do trabalho passa a 78,6 + 10,7 = 89% do conteúdo calorífico de um mole de metano. 43 A razão porque o modo com ar nestas comparações é mais eficiente que o modo com oxigénio é porque o fluxo de massa é proporcionalmente maior. 0 fluxo de massa em cada caso foi calculado na base da mesma temperatura da entrada da turbina de 2515 F e 25 atmosferas em que a capacidade calorífica de 440 libras da função [C02 + 2h20] é significativamente superior à da função [C02 + 2H20 + 7,5N2]. Esta situação aponta para outro grande vantagem do modo com oxigénio, i. e., ao aumentar o fluxo de massa do modo com oxigénio até ao do modo com ar, o mesmo rendimento de trabalho de 78,6% seria desenvolvido com a mesma recuperação de calor para um total de aproximadamente 89%, mas a uma temperatura da entrada da turbina consideravelmente mais baixa para a mesma energia e, consequentemente, seria mais benéfico aquando da concepção da turbina. A análise acima permite deduzir ainda as seguintes observações: 1. Quando um rendimento térmico algo inferior a 100% é mostrado para um fluxo de massa continuo (como 440 libras no exemplo), então o aumento do calor do combustível e da compressão que representa 100% tem de redundar num aumento da temperatura da entrada da turbina. Assim, se a temperatura da entrada da turbina concebida estiver no limite metalúrgico, então a reciclagem e a recompressão têm de ser reformadas em conformidade. Caso contrário, o aumento da temperatura resulta num maior trabalho de rendimento da turbina com as cargas de estado estacionário; 2. Por outro lado, como corolário ao passo 1, ao reciclar uma maior quantidade de descarga que o exemplificado, o fluxo de massa das adições de fluxo da recompressão 44 irá aumentar para mais de 440 libras e irá perturbar a continuidade necessária para a reciclagem em estado estacionário. Neste caso, o excedente, representando o excedente de calor, pode ser transformado em combustível e ser desviado para contribuir para a necessidade de combustível para qualquer um ou mais de entre os motores de foguetão via o meio de compressão intermédio, e as operações de propulsão a jacto; 3. Quando no passo 1 ou 2 é introduzida a transformação de matéria carbonosa (que pode ser metano), o resultado é mais combustível e/ou mais calor que tem de ser tido em conta; 4. À excepção da parte da descarga que não é reciclada e o seu conteúdo calorífico que pode ser utilizado de uma maneira independente, a parte de reciclagem da descarga e todas as suas adições de calor e de combustível de recompressão são contidas adiabaticamente e têm de ser tidas em conta no equilíbrio de calor e material para a continuidade do fluxo na turbina com o excedente de calor e de massa a ser desviado na forma de combustível convertido para substituir uma quantidade correspondente na análise de base. O desvio é necessário para preservar a referida continuidade do fluxo na turbina. A análise acima demonstra que o metano ou qualquer combustível limpo pode ser processado de acordo com esta invenção sem transformação através da reciclagem de uma parte substancial da descarga da turbina, a sua recuperação de calor sendo ajustada para o controlo e continuidade da temperatura da entrada da turbina. Para além disto, esta invenção proporciona calor e pressão para a expansão da turbina ou transforma o 45 referido calor e pressão em combustível para a referida expansão através de uma operação faseada do motor de onde é fornecido praticamente nenhum rendimento de trabalho num veio, mas que converte todo o trabalho num veio in situ em calor e pressão para a referida expansão, directa ou indirectamente, através da transformação de matéria carbonosa em combustível num volume de controlo quase adiabática. Por outras palavras, este é um volume de controlo de quase energia total em que todas as fontes de energia que entram resultam num fluxo com o calor e a pressão a serem fornecidos para a expansão da turbina ou combustível para a expansão da turbina.

Esta invenção não está limitada à maneira como é obtida a recuperação da massa e calor de exportação. Uma recuperação extraordinária pode ser realizada através de um curto-circuito de uma fracção da descarga da turbina pelo desvio do fluxo 203 de massa através do compressor 205, tornando-se num fluxo mais quente para 203. Este fluxo é distribuído proporcionalmente para que a recuperação de calor entre uma ou mais fases seja, de um modo preferido, mas não necessariamente, igual ao fluxo entre as fases do meio 200 de turbina.

Para além disto, o fluxo 203 de massa seleccionado não só adiciona calor em locais intermédios seleccionados, mas mais significativamente, ele mistura, reforça a pressão selectivamente e aumenta o fluxo 214 original, passando como sendo distribuído através das fases do meio 200 de turbina. Para manter a continuidade, uma massa 203 constante é desviada do fluxo 202 aumentado, para que 202 passe então a ser o fluxo 204 que, sequencialmente, se torna no fluxo 207 de descarga remanescente depois de o fluxo 206 ser desviado para a recuperação de calor indirectamente dentro do ciclo ou exportado para utilização na unidade. Uma vantagem particular do ciclo com extracção através de um curto-circuito é o de aumentar o rendimento do trabalho sem perturbar a continuidade do fluxo de massa que é essencial no ciclo principal.

Caso 2 - Fonte de Energia de Motor de Foguetão para

Turbinas com Trabalho de Veio Parasita A Fig. 3 mostra esta forma de realização onde a fonte de energia de motor de foguetão é aplicada a turbinas a gás existentes e o fluxo do reactor de energia conservada é direccionado para ser limpo a baixas pressões. 0 Caso 1 foi apresentado para transformações em que a matéria carbonosa fluindo para dentro do bico 120 via a linha 124 está previamente limpa ou limpa no inicio. Neste caso, a limpeza é presumida como sendo necessária e esta situação requer que o fluxo vindo do reactor de energia conservada seja descarregado a qualquer pressão e temperatura que sejam necessárias para acomodar qualquer um dos vários processos disponíveis comercialmente. São preferidas as limpezas a gases quentes a operar a cerca de 1000 F porque o gás limpo a esta temperatura pode então fluir para a turbina a gás, pelo menos, mantendo este nivel de calor. Por outro lado, a actividade cinética avançada anteriormente descrita para esta invenção pode completar as reacções de transformação a temperaturas muito baixas sem a degradação de calor que resulta do arrefecimento rápido. Por exemplo, uma outra vantagem é que a fracção de dióxido de carbono no gás combustível pode ser extraída a temperaturas e pressões mais baixas para outras utilizações. 47

Nestes casos, o rendimento de conversão empregando o reactor de energia conservada alimentado por um motor de foguetão pode ser melhor que 90%. Isto reduz 0 custo com combustível quando comparado com a prática actual. Para além disto, quando um óleo residual ou carvão de gás de petróleo de baixo custo puder ser substituído por gás natural, o custo do combustível pode ser reduzido em 50 a 250% adicionais ou mais, dependendo dos preços no mercado.

Também é apropriado considerar neste caso os benefícios da realização de uma operação de instalação retroactiva com um combustível limpo ou previamente limpo. Esta situação traz para o tabuleiro de jogo grande parte do processo descrito no Caso 1. A Fig. 3 ilustra um processo em que toda ou a maior parte da carga do compressor 300 padrão é aliviada para que, na realidade, a turbina 200 de gás padrão seja transformada numa turbina de energia livre em que a anterior carga da turbina 200 se torna agora em energia adicional de saída em 201.

De igual modo, o compressor 300, apenas por conveniência, pode ser utilizado para fluxos do oxidante a baixas pressões para dentro do reactor de energia conservada através da linha 301.

Caso 3 - Disposições com Múltiplas Turbinas A Fig. 4 mostra uma forma de realização com múltiplas turbinas em que a reciclagem para o controlo da temperatura da entrada da turbina está optimizado. A utilização de oxigénio é 48 também eficaz quando aplicada por esta invenção às turbinas com múlti-fase.

Estão descritos vários modos do processo: A. Em primeiro lugar, considerar a oxidação parcial de metano pela transformação termoquimica para a troca directa entre si com gases de escape da turbina de reciclagem. Algum do metano é queimado na câmara de combustão 102 através da linha 401; o remanescente é queimado através da linha 124. Os gases de escape reciclados são comprimidos em 134 e, em primeiro lugar, ajustados para que o fluxo 208 compatível seja dimensionado para a temperatura da entrada da turbina da turbina 108. De igual modo, a descarga 210 compatível é em grande parte comprimida em 215 e fornecida a alta pressão ao longo do reactor de energia conservada. Os fluxos 402 e 403 menores remanescentes podem, opcionalmente, ser aplicados ou desligados. A parte maior remanescente da descarga 404 do compressor é então dividida para se adequar à interacção da temperatura e pressão entre a câmara de combustão 102 e o bico 120 de arrastamento de jacto. As zonas de reacção podem ser aplicadas conforme necessárias. O separador 405 é omitido. O bico 406 proporciona a contra-pressão para o fluxo na câmara de combustão 407 superior. O gás parcialmente oxidado continua através das câmaras de combustão 408 e 409 para ser descarregado da turbina 410 inferior em combustão completa para ser descarregado na linha 49

202. O oxigénio é fornecido através da linha 411 e é controlado para o conteúdo e a pressão do fluxo (não mostrado) para dentro das linhas 412, 413 e 414. O controlo é para manter, de um modo preferido, temperaturas iguais em cada fase intermédia para coincidir com a temperatura na câmara de combustão 407; B. O metano pode também ser queimado com uma carência de oxigénio resultando num fluxo de gás que está parcialmente oxidado e pode ser tratado conforme acima descrito em A; C. A actividade termoquímica entre o metano e o vapor pode variar dependendo da temperatura e da pressão. Num grande intervalo de temperaturas pode ser obtida qualquer uma das reacções que se seguem:

Equação (1) CH4 + H20(g) ^ CO + 3H2

Equação (2) CH4 + 2H20(g) — C02 + 4H2

Todavia, a reactividade com carvão/carbono pode ser aplicada ao processo:

Equação (3) C + H20(g) — CO + H2

Equação (4) CO + H2 + H20(g) — C02 + 2H2

Todas as reacções acima são endotérmicas e funcionam dentro do conteúdo de calor e reagente da parte de reciclagem. Deste modo, o ciclo produz, primeiro, o calor endotérmico e vapor de 50 reagente para a transformação e, depois, recupera-o quando o gás combustível produzido é queimado a jusante. 0 equilíbrio da reacção é bem servido pelo abundante conteúdo de vapor de água da parte de reciclagem. A Fig. 5 mostra uma forma de realização em que a produção de hidrogénio é realizada, de um modo preferido, via reacções de vapor-ferro. Qualquer uma das três maneiras estão abaixo descritas para os seus diferentes efeitos físicos no que se refere ao equilíbrio e à cinética da reacção em relação ao modo como o produto de ferro pode ser mais tarde armazenado e utilizado: A. Redução de Fe304 para FeO para hidrogénio; B. Redução de Fe304 para Fe (esponja de ferro) para hidrogénio; C. Carbonação de Fe para Fe3C (carboneto de ferro). A - Redução de Fe304 para FeO para hidrogénio Fonte de calor para e a produção do gás de redução Equação (1) 0, 5C + 0,502 + 1, 88N2 > 0,5CO2 + 1,88N2

Equação (2) H20(i) + 2C + 0,502 + 1, 88N2 +15kcal > 2CO + 1,88N2 + H2 ΔΗ resultante = -32 kcal 51

Redução

Equação (3) [0,5C02 + 2C0 + H2 + 3, 76N2] + 3Fe304(s) —> 2,5C02 + H20 (g) + 9FeO(s) + 3,76N2

Oxidação

Equação (4) 9FeO (S) + 1,5H20 (d + 1,5Η20^ -> 3Fe304(S/i + 3H2 AG = -93 kcal

As partículas de FeO, derivadas das partículas de Fe304 com algum tamanho (provavelmente de uma fonte de sedimentos) oferecem uma característica singular em que as partículas podem ir amontoando à frente das forças de resistência criadas pela elevada velocidade, o vapor reagente exercendo velocidades de saída até às velocidades transónicas. Como processo de reciclagem, apenas o hidrogénio produzido tem de ser descarregado no fim da zona da reacção. Não importa que se os sólidos em reciclagem são uma mistura de partículas de Fe e de FeO, desde que sejam proporcionado meio adequados para evitar a aglomeração na reciclagem. A orientação do reactor nesta invenção pode assumir qualquer ângulo com a horizontal que sustenha as partículas sólidas em voo.

Um modo alternativo refere-se a uma partícula muito fina de Fe na gama de 50 a 200 micrones. No limite inferior, próximo do tamanho de pó, elas têm de ser transportadas por um gás neutro, 52 por exemplo, azoto, numa conduta selada para evitar a combustão espontânea. Devido a esta caracteristica pode esperar-se que elas desenvolvam velocidades de reacção muito elevadas apenas pela mistura com vapor. Outros comentários serão apresentados após a análise das reacções que se seguem para a produção de hidrogénio a partir de esponja de ferro, Fe: B - Redução de Fe3Q4 para Fe (esponja de ferro) para Hidrogénio

Fonte de calor

Equação (1) 0, 5CH4 + 02 ~9S,8tcaÍ > 0,5C02 + H20(g)

Reformagem Equação (2) CH4 + 0,5C02 + H20(gj —±39’^“l > CO + 3H2 + 0,5CO2 ΔΗ resultante para (1) e (2) = -56,5 kcal

Redução

Equação (3) CO + 3H2 + 0,5C02 + Fe304 +26kcal ) 1,5C02 + 3H20 + 3Fe 53

Oxidação

Equação (4) 3Fe + 4H20 (g) ~35’8feaÍ-> Fe304 + 4H2 de acordo com Gahimer et al., (experiências de IGT em 1976) a Equação (4) tem uma alteração de energia livre favorável quase linear de AG = -20 kcal a 125 °C até cerca de -3 kcal a 925 °C. As alterações de energia livre para as reacções "A" foram obtidas do documento "Thermochemical Properties of Inorganic Substances" de I. Barin e O. Knacke. Tendo em conta o Gahimer, as alterações de energia livre favoráveis para as reacções "A" suportam ambos os processos, conforme é conseguido para a produção de hidrogénio pela fonte de energia de motor de foguetão e o reactor de energia conservada. Isto não exclui a utilização de partículas com tamanhos maiores nas reacções "B" enquanto se continua a objectivar uma produção de tudo-Fe ou esponja de ferro para outras utilizações enquanto se produz hidrogénio para células de combustível e turbinas a gás. Tal utilização é esponja de ferro para siderurgias a seguir apresentada como "C". C. Carbonação de Fe para Fe3C (carboneto de ferro) A produção de esponja de ferro é basicamente a redução directa de óxidos de ferro conforme acima descrito e a sua utilização em aço é principalmente para produzir carboneto de ferro (Fe3C). Com metano, como constituinte principal do gás natural, o ambiente químico é descrito pela equação (1): 54

Equação (1) CH4 + 02 —~64fea/ > CO + H20 (g) + 2H2 Oxidação Parcial

As equações que se sequem são as reacções que conduzem à carbonação:

Equação (2) 3Fe + CH4 +11’9kcal > Fe3C + 2H2

Equação (3) 3Fe + 2C0 ~36’lkcal > Fe3C + C02

Equação (4) 3Fe + CO + H2 ~26Akcal > Fe3C + H20(g>

As equações acima ilustram a aplicabilidade expansiva da fonte de energia de motor de foguetão na gama de pressão elevada relativamente ilimitada e um tecto de 5000 F para a câmara de combustão de motor de foguetão como uma unidade de elevada produtividade em siderurgias com um processo coordenado que também produz energia. A combinação para esta situação é descrita a seguir em relação às reacções "B" acima e Fig. 5. A sequência agora é a de gerar, por exemplo, seis moles de hidrogénio independentemente das equações acima através da transformação de metano na fonte de energia de motor de foguetão. O fluxo de hidrogénio é dividido igualmente em três trajectórias:

Trajectória 1 fornece dois moles à célula 500 de combustível (de um modo preferido, células de combustível 55 de óxido sólido) fornecendo energia e vapor a alta pressão para dentro da câmara de combustão 501 que alimenta a turbina 502, conforme mostrado;

Trajectória 2 fornece dois moles de hidrogénio directamente na câmara de combustão 501;

Trajectória 3 fornece dois moles de hidrogénio para reduzir 0, 5Fe3C>4. O que se segue são as reacções potenciais nas operações dos primeiro e segundo andares. A primeira fase produz todo o hidrogénio e é uma cascata de pressão. Ela alimenta a segunda fase para a redução de Fe304. A pressão desenvolvida no motor 503 de foguetão também fornece os efluentes gasosos na trajectória 3 do reactor 504 para dentro da câmara de combustão 501 para maximizar a utilização do calor. As reacções que ocorrem na primeira fase são:

Equação (5) 0. 5CH4+02+2H2Ofl; ~n,%kcal ) 0,5C02+3H20fg, Combustão

Equação (6) 1, 5CH4+0,5C02+3H20fg; +54,3faraÍ > 2C02+6H2 Transformação A reacção 5 ocorre à pressão máxima dentro da câmara de combustão 503 para que o bico de combustão desenvolva um jacto conforme necessário até às velocidades transónicas activando assim a reacção (6) que ocorre quando 1,5 moles de metano são doseados para reagir com o jacto, de igual modo, produzindo neste exemplo seis moles de hidrogénio igualmente distribuídos conforme acima descrito para as três trajectórias. O dióxido de carbono é separado do hidrogénio através de meios adequados 56 avançados para manter a pressão e o calor e direccionado do reactor 505 da referida separação e seguindo para alimentar a sequência 506 e 504 da segunda fase para reduzir o magnetite F e304.

De igual modo, o dióxido de carbono e hidrogénio fluindo para dentro da bomba 506 de jacto prolongam a contra-pressão desde a fase 1 através de um bico transónico para interagir com as partículas de Fe304 que estão a ser doseadas a jusante do jacto de dióxido de carbono e hidrogénio de acordo com a reacção (7) que se segue:

Equação (7) 2C02 + 2H2 + 0,5Fe3O4fsJ ~u'5kcaI > 2C02 + 2H.20(g) + l,5Fe cs; Redução

As reacções acima estão aproximadamente em equilíbrio calorífico para que possa ser acrescentado calor adicional conforme necessário no âmbito do processo. Este é simplesmente um exemplo da versatilidade desta invenção para facilitar um processo de reacção em duas fases. A bomba 506 de jacto pode ser facilmente organizada para combustão através da introdução de oxigénio para queimar uma fracção do hidrogénio, e este pode ser o caso quando o dióxido de carbono tem de ser separado através de um solvente absorvedor-decapante convencional ou sistema de absorção da modulação de pressão. A descarga da turbina 502 compreende vapor de água e dióxido de carbono. Os fluxos no processo seriam iterados (não realizados no âmbito deste exemplo) conforme descrito nas anteriores formas de realização em que uma fracção substancial na linha 507 seguiria para dentro da linha 508 para dentro do 57 meio 509 compressor do motor de foguetão e a diferença na linha 510 seria desviada para outras utilizações.

Voltando agora à produção de carboneto de ferro e à utilização da reacção (2) endotérmica, por exemplo, esponja de ferro e o metano reagem com calor para produzir carboneto de ferro [Fe30] e hidrogénio. Como opção, esta situação está mostrada na Fig. 5 como um processo de terceira fase em que o metano é parcialmente oxidado na câmara de combustão 511 do motor de foguetão. O metano pode ser doseado em excesso para dentro da secção de bico da câmara de combustão 501 ou doseado a jusante para dentro das secções de bico do reactor 512 de esponja de ferro. De igual modo, o jacto vindo da câmara de combustão 511 fornece o calor endotérmico da reacção para produzir carboneto de ferro e hidrogénio. Em modos alternativos o hidrogénio produzido do reactor 512 pode ser reciclado para as secções de bico da câmara de combustão 506 e o reactor 504 para reduzir Fe3C>4 e/ou FeO em esponja de ferro minimizando assim a produção de dióxido de carbono.

Como conclusão desta forma de realização são apresentados mais dois pontos. Em primeiro lugar, uma unidade completa de produção de energia ou carga máxima exige a operação conjunta das trajectórias 1 e 2. Desta maneira, a turbina pode ser organizada para tratar a carga base apenas na trajectória 2. Em segundo lugar, a esponja de ferro pode ser produzida comercialmente na forma de sedimentos ou briquetes que podem ser convenientemente reduzidas à forma de pó. A reactividade de partículas finas de ferro com vapor pode produzir FeaCh e hidrogénio puro. Esta situação pode ser mais adequada, por exemplo, para pequenas células de combustível nas casas. As células de combustível com membrana de electrólito de polímero 58 estão a ser desenvolvidas comercialmente para esta finalidade assim como unidades algo maiores para edifícios comerciais ou fontes móveis de energia. Esta classe de célula de combustível minimiza a utilização de componentes de elevada temperatura nas casas e em espaços confinados. Esta invenção pode produzir a esponja de ferro para estes ou outros tipos de células de combustível com reactores relativamente pequenos para os tornar portátil e seguros assim como para o funcionamento em grande escala acima mencionado.

Será de seguida descrita a fonte de energia de motor de foguetão aplicada de duas maneiras para caldeiras e turbinas a vapor. 0 Ciclo de Energia de Turbina a Vapor - Considerações Gerais

Fazendo referência às Figuras 6 e7 que serão mais adiante descritas em pormenor. Tipicamente as turbinas a vapor em caldeiras não têm conexões a compressores. Como um exemplo, um gerador de turbina a vapor que produz 50 MW seria alimentado por uma caldeira a produzir aproximadamente 346000 libras de vapor por hora a 600 psia e 1000 F com uma descarga da turbina a 250 F e 30 psia na forma de vapor saturado seco contendo 1517 Btu por libra. A entropia é de aproximadamente 1,7 Btu/libra R. A uma entropia constante, o rendimento teórica, negligenciando o trabalho da bomba, é calculada da seguinte maneira: E = {[1517 - 1167]/[1517 - 218]} x 100 = 27,2% 59 0 rendimento representado estabelece o ponto de separação entre as instalações existentes ou novas, planeadas no Rankine Cycle e desta invenção. 0 objectivo aqui é o de recuperar a maior parte do calor para dentro do reactor de energia conservada para converter e desenvolver todo o combustível, retendo o calor recuperado para alimentar a caldeira. Ao concluir o ciclo, as eficiências da caldeira e da transmissão da energia entre a turbina e o gerador permanecerão substancialmente inalteradas. Todavia, o ganho na entropia do ciclo interno aumentando a entalpia da descarga será recuperado no reactor de energia conservada que irá receber o vapor de descarga directamente como principal reagente acompanhante com compostos de carbono e de hidrocarbonetos. 0 calor latente na descarga da turbina representa a maior parte da energia desperdiçada. Pelo menos, 50% dela é recuperável pela mistura mútua com um fluxo adicional de água com o vapor da descarga da turbina numa base de um para um. Se todo o calor latente for recuperável neste ponto no processo, então o habitual rendimento da caldeira de cerca de 90% (100% por motivos de simplicidade) seria também válidoa como rendimento térmico global para o funcionamento avançado. Todavia, o rendimento de 27,2% acima mostrado também representa o rendimento térmico global de um funcionamento actual. A perda de energia é de 72,8% o que, em termos práticos, é a perda do calor latente para arrefecer a água. Ao recuperar 50% deste valor, conforme acima descrito "E" passa a ser: E = 27, 2 + 36,4 = 63, 6% 60 0 trabalho total fica nominalmente inalterado como 50 MW ou 27,2% do fluxo de calor para a turbina. A economia de combustível é grandemente aumentada uma vez que é necessário menos 36,4% de combustível para produzir o mesmo trabalho total. Para além disto, o volume de água de arrefecimento necessário é reduzido a metade e a água adicional, 50% saturada após a mistura mútua, é depois utilizada com sendo o principal reagente de vapor de água como 2H20 para dentro do reactor de energia conservada mostrado, por exemplo, com CH4 por:

Equação (1) CH4 + 2H20 —calor ) C02 + 4H2 ΔΗ = +39,5 kcal

Nesta análise e em geral, dois moles de vapor podem representar todo o vapor que a caldeira fornece como 100% e todo ele para a turbina. Consequentemente, é consistente recuperar o máximo calor a partir de dois moles da descarga da turbina através da transferência do fluxo da mistura mútua, conforme acima descrito, através do relacionamento com dois moles para a continuidade da massa, em que dois moles de descarga seguem até ao condensador e dois moles adicionais com metade do calor latente seguem para dentro do reactor que fornece o combustível à caldeira. A água adicionada tem, pelo menos, de ser tão pura quanto a descarga da turbina de modo a não contaminar o fluxo para o condensador.

Os dois moles de vapor de água são assim convertidos em combustível para alimentar a fonte. O combustível é depois queimado para proporcionar 100% do calor à caldeira através da equação:

Equação (2) 61 CO2 + 4Η2 + 202 C02 + 4Η20 ΔΗ 221,2 kcal em que os produtos da combustão C02 + 4H20 são gases de exaustão (para a limpeza como necessário) para ser tornarem na fonte de calor num fluxo quase adiabático para uma fonte de energia da segunda fase que pode fornecer combustível adicional a qualquer pressão para qualquer finalidade para utilização imediata e parte da qual pode ser reciclada para alimentar o motor de foguetão e/ou o meio compressor do motor de foguetão para um ou ambos os reactores da primeira e segunda fase. É preferível que nas operações faseadas acima descritas os motores sejam alimentados com um combustível limpo, como metano, e que, pelo menos, na primeira fase a matéria carbonosa seja também metano ou um combustível igualmente limpo e compatível. A(s) reacção(ões) seguinte(a) demonstra(m) o benefício crescente da segunda fase:

Equação (3) C02 + 4H20 + 2CH4 3C02 + 8H2 ΔΗ = +79 kcal 0 efeito da queima é mostrado por:

Equação (4) 3C02 + 8H2 + 404 -» 3C02 + H2 ΔΗ = -462, 4 kcal

Comparando as libertações de calor da combustão vindas das Equações (2) e (4) com os requisitos endotérmicos das Equações (1) e (3) torna-se razoavelmente óbvio que existe uma abundância de combustível disponível para além da recuperação do calor da descarga, quer como calor latente, quer como calor sensível vindo da descarga da turbina e dos gases de exaustão para 62 fornecer ainda mais reciclagem de hidrogénio para o motor de foguetão e câmara de combustão do compressor. A parte do dióxido de carbono pode ser retida ou separada e desviada através de meios adequados.

Uma produção de oito moles de hidrogénio é considerada um máximo e a produção pode ser consideravelmente reduzida pela diminuição do fluxo dos gases de exaustão para o reactor da segunda fase e direccionando a diferença para utilizações de calor de menor qualidade. Por outro lado, este modo, sem ou com uma menor utilização de uma fonte de energia de segunda fase, pode aplicar a primeira fase na utilização de outras matérias carbonosas menos caras e/ou produtos de alimentação menos limpos que dependem da limpeza in situ da caldeira ou da exaustão.

Caso 5 - Fonte de Energia de Motor de Foguetão Integrada com Caldeira A Fig. 6 é agora descrita de acordo com as operações acima referenciadas. A Fig. 6 mostra esta forma de realização em que uma fonte de energia de motor de foguetão está integrada com uma caldeira que utiliza uma transformação de combustível em duas fases. A descarga de vapor vinda da turbina 600 via a linha 601 flúi para dentro do misturador 602 para a troca mútua directa de calor com água limpa, através da linha 603, que é doseada e bombeada (não mostrado) para reforçar, conforme necessário, o fluxo através do misturador 602. O fluxo 604 misturado divide-se nos fluxos 605 e 606 para que os fluxos 601 e 606 sejam equivalentes em termos de massa (controlo não mostrado) para preservar a continuidade da água de alimentação da caldeira através do condensador 607 a uma baixa pressão controlada que 63 também reforça o fluxo 604 misturado através do misturador 602. Como consequência, o fluxo 606 desviado é equivalente ao conteúdo de massa do influxo 603 de água limpa. O fluxo 608 de vapor do misturador vindo da caldeira 609 junta-se aos fluxos 601 e 603 misturados para trazer o fluxo 603 de água limpa, pelo menos, até ao ponto de vaporização. A menor quantidade de vapor para este fim passa a fazer parte do e aumenta o fluxo 606 desviado sobre a referida condição de equivalência de massa, que agora, na forma de vapor parcialmente saturado, é direccionado para dentro de uma porta a jusante da secção 120 de bico do motor de foguetão (não mostrada). O fluxo 606 aumentado torna-se assim no principal reagente de H20 com a matéria 610 carbonosa na fonte de energia da primeira fase. O combustível 611 pode ser qualquer combustível mas são preferidos os combustíveis limpos, como metano ou gás natural, para o funcionamento em duas fases. O oxidante 612 é, de um modo preferido, oxigénio para a primeira fase de um funcionamento em duas fases. A fonte de energia descarrega o produto 613 combustível através de meios 614 de distribuição que podem ser a fornalha da caldeira 609 ou simplesmente fornece o produto combustível à fornalha da caldeira afastada dos referido meio. A caldeira fornece vapor 615 que fornece uma extracção 608 menor (anteriormente descrita) e que pode ser ainda mais dividido num fluxo 616 de vapor que alimenta directamente a turbina 600 e descarrega o fluxo 617 opcional que é dividido no fluxo 618 e 619 para se adequar às necessidades de vapor de reabastecimento. O fluxo 617 opcional exige naturalmente um fornecimento 613 adicional de combustível acima da quantidade que é necessária para accionar a turbina. 64

Existe uma segunda opção mais dominante para o fluxo 618 em que o meio compressor é eliminado e a combustão é excluída do interior da câmara de combustão 102 de jacto mostrado na Fig. 1 e o fluxo 618 (até a pressão máxima da caldeira) alimenta o jacto para que o motor de foguetão seja substituído por uma potente bomba de jacto vapor. Todavia, a combustão não é excluída a jusante do jacto e pode ser aplicada para aumentar a temperatura e o impulso do fluxo a jusante. Esta característica, que embora esteja mostrada, pode se aplicada à fonte de energia da segunda fase nesta forma de realização e também na forma de realização da Fig. 7.

Continuando agora com a Fig. 6, os gases 620 de exaustão ricos em vapor e previamente limpos conforme necessário dentro da caldeira 609 ou fora (não mostrado), podem ser divididos em fluxos 621 e 622. O fluxo 621 é direccionado para dentro de uma porta da secção 120 de bico (mostrada na Fig. 1) imediatamente a jusante do jacto. Os fluxos 621 e 622 são ajustados para se adequarem à reactividade com o fluxo 622 que está a ser direccionado, de igual modo, para dentro do reactor de energia conservada. Outros aspectos do reactor da segunda fase são semelhantes aos da primeira fase e geralmente da fonte de energia descrita na Fig. 1.

Caso 6 - Extensões do Fluxo Quente da Forma de Realização com Caldeira A Fig. 7 mostra esta forma de realização em que uma disposição com caldeira é utilizada com uma extensão do fluxo quente para melhorar ainda mais o rendimento do sistema. O gaseificador de motor de fluxo quente é alimentado por um 65 sobrealimentador industrial padrão disponível com uma grande amplitude de fluxo, para grandes motores industrias a diesel. Nesta aplicação, a turbina e a parte do compressor são intervaladas com uma câmara de combustão fabricado à medida concebido para ser alimentado para que os produtos da combustão sejam quimicamente compatíveis e possam fluir adiabaticamente quando accionados, praticamente sem perdas de calor, à excepção da radiação minima para aumentar o rendimento da caldeira 609. O motor com turbocompressor descrito é uma turbina a gás com ciclo simples e pode ser posto a funcionar através de quaisquer meios adequados. A turbina a gás com turbocompressor é preferida face a uma turbina a gás convencional que é cara (que não está excluída) porque está previsto que as pressões antecipadas estejam geralmente abaixo de quatro atmosferas.

Fazendo referência à Fig. 7 o compressor 700 da unidade de fluxo quente recebe ar vindo da linha 701 e fornece parte dele aa câmara de combustão 702 vindo da linha 703 à pressão máxima. O ar remanescente é fornecido à mesma pressão na câmara de combustão 704. Os câmara de combustão 702 e 704 são alimentados separadamente através das linhas 705 e 706, respectivamente, por qualquer combustível compatível mas, de um modo preferido, com hidrogénio no rácio de 4 para 1 com dióxido de carbono, que pode ser fornecido pela fonte de energia de motor de foguetão de segunda fase. De igual modo, os produtos têm um potencial emissivo elevado para a transferência de calor radiante. Os produtos da câmara de combustão 704 descarregam através de um bico sónico juntamente com as portas secundárias que compreendem a unidade 707 de arrastamento do bico. O bico está integrado com a câmara de combustão e as portas secundárias de arrastamento 66 que recebem separadamente ar 708 do ambiente e gases 709 de escape vindos da turbina 710.

Gases extremamente quentes (2000 F e superior) emanam de 704 como fluxo misturado constituído por produtos da combustão, ar 708 ambiente e descarga 709 da turbina juntando-se no canal através de meios adequados e continuam como fluxo 711 através do comutador 712 de calor que super-sobreaquece ainda mais o vapor 713 da caldeira até aos 1600 F e superior. O fluxo 714 de saída pode ser utilizado para uma recuperação adicional através de meios convencionais de transferência de calor para se adequarem a várias necessidades da caldeira. O acima descrito completa o ciclo de fluxo quente que, por motivos práticos, é de 100% eficiente na utilização de calor à excepção da radiação mínima e através do qual a energia da turbina a gás - turbocompressor, convertendo-se em calor in situ, se torna intrinsecamente parte do calor total, compreende um adjuvante de conversão da energia total para a caldeira 609.

As velocidades do fluxo quente são planeadas para serem muito elevadas de modo a aumentar grandemente a velocidade de transferência de calor no comutador 712 de calor. Este é um sistema de energia total em que o equivalente calorífico da energia da turbina a gás com turbocompressor é totalmente conservado, resultando em velocidades de transferência de calor extremamente elevadas porque é conservada a energia para a geração das velocidades necessariamente muito elevadas. Como consequência desta situação, o benefício último é um comutador de calor relativamente mais pequeno. A velocidade do fluxo, o factor essencial, exige energia que sobe com o cubo da 67 velocidade. A energia aqui não é um factor de custo porque ela é conservada, conforme acima explicado. De igual modo, ao combinar esta intensa transferência de calor através de convecção com a radiação altamente emissiva anteriormente descrita, podem ser obtidos fluxos de calor até 90 000 Btu por pé quadrado por hora e superiores.

As extensões do fluxo quente até ao reactor de energia conservada acima descritas criam efectivamente um sistema de recuperação total de água e energia. Os custos de investimento são minimizados pelos fluxos de calor muito elevadis reduzindo assim grandemente a área superficial no comutador 712 de calor. A água e a sua energia contida são recicladas internamente; o equivalente calorífico da energia da turbina a gás com turbocompressor é totalmente conservado; a energia necessária para a transferência de calor a alta velocidade (que aumenta com o cubo da velocidade) não é aqui um factor porque ela é conservada, conforme acima descrito. A vantagem principal do aumento da temperatura do vapor até cerca de 1600 F e superior é que esta situação aumenta substancialmente o rendimento da turbina ao mesmo tempo que mantém os benefícios da conservação de energia do sistema de duas fases e a flexibilidade de ser capaz de transformar combustíveis que custam consideravelmente menos em produtos mais úteis. Naturalmente que é também possível adicionar a extensão do fluxo quente para as disposições de células de combustível descritas na Fig. 5.

Voltando ao e elaborando mais sobre o exemplo dos 50 MW, a relação de seguida apresentada demonstra o ganho do Fluxo Quente a partir de um aumento de apenas 400 graus até aos 1400 F, baseado num calor específico nominal de 0,5 Btu/libra F: 68

Ε' = [(1717 - 1164)/(1717 - 218)]χ100 = 36,9% para 68 MW quando comparado com 27,2% para 50 MW. Os números falam por si. Cada dolar gasto em energia calorífica do combustível desta maneira é reflectido numa energia eléctrica equivalente sem perdas.

Voltando agora para a Figura 9 que é uma extensão da Figura 4 e introduz três opções em relação ao fluxo 212 mostrado na

Figura 2 como descarga recomprimida vinda da turbina 108. Tanto a Figura 2 como a Figura 9 mostram esta descarga recomprimida fornecida para dentro do Reactor de Energia Conservada e esta situação é também uma das opções mostradas na Figura 9 como fluxo 916. As outras duas opções são: 1. fluxo 917 como uma fonte de transferência indirecta de calor para o aquecimento entre as fases; e 2. fluxo 918 é uma fonte de transferência directa de calor para o aquecimento entre as fases. O fluxo 212 original pode ser rateada para o fluxo 916 e para o fluxo 917 e 918. É preferido o controlo do doseamento e do estrangulamento destas duas opções (não mostradas). Para além disto, quando duas opções são seleccionadas para o rateio do fluxo da descarga vindo da turbina 108, então cada fluxo pode ser proporcionado com um compressor separado e adicional (não mostrado). Isto permitirá que um fluxo tenha uma pressão significativamente diferente.

As principais vantagens da flexibilidade proporcionada por estas duas opções são: 69 1. Elas facilitam o estabelecimento e a manutenção da continuidade do ciclo principal quanto à química e ao fluxo de massa; 2. Embora a continuidade seja indígena com uma capacidade calorífica predeterminada, o fluxo 918 e particularmente o fluxo 917 proporciona uma capacidade calorífica adicional que se traduz numa energia de expansão adicional. A massa adicional que entra no ciclo através do fluxo 918 é compensada programando da descarga no fluxo 206 para incluir uma massa equivalente. O fluxo de calor indirecto é descarregado do ciclo na forma do fluxo 919 a ser aplicado a uma recuperação adicional; e 3. Retirando toda ou grande parte da descarga do Reactor de Energia Conservada e do fluxo de reciclagem principal, maior a quantidade de massa e calor da descarga original que pode ser fornecida através da linha 207 para a recuperação dentro do ciclo principal, minimizando assim as adições de calor externo necessárias para a conclusão do ciclo. A flexibilidade de recuperação é também potenciada ela dotação de compressores 920 e 134 separados. Estes são mostrados esquematicamente no mesmo veio por motivos de simplicidade. O requisito principal é o de serem controlados e alimentados de uma maneira independente pela mesma turbina 108 ou qualquer motor primário desde que o compressor 213 seja também alimentado pelo mesmo motor primário e que a sua descarga seja recomprimida pelo compressor 213.

Voltando novamente aos compressores 920 e 134, mostra-se que estes recebeem os fluxos 915 e 209, respectivamente, que são 70 rateados selectivamente desde a parte 207 do fluxo de descarga. Um objectivo é de cada compressor ser capaz de fornecer até à pressão máxima necessária pelo ciclo que é uma pressão elevada relativamente ilimitada especificada para a câmara de combustão 102 do motor de foguetão. De igual modo, o segundo objectivo é o de fornecer a menor massa à câmara de combustão 102 vinda da linha 922, e o remanescente a uma pressão mais baixa seleccionada de 404 que pode ainda ser subdividida selectivamente para o fornecimento para dentro de uma ou mais portas secundárias, via a linha 923, para a secção 120 de bico do motor de foguetão; ou via a linha 924 para dentro de portas selectivas do Reactor de Energia Conservada. O principal objectivo das alternativas acima descritas é o de tirar total vantagem termodinâmica do limite superior de 5000 F e da capacidade de pressão máxima da câmara de combustão do motor de foguetão para suportar o requisito global do ciclo predeterminado para, pelo menos, o requisito de pressão do compressor 134 que está a fornecer a maior parte da massa para dentro do ciclo e, consequentemente, reduzir a energia que, de outra forma, seria necessária pela turbina 108. Esta energia pode ainda ser diminuída por uma propulsão a jacto a jusante acima descrita. A força de impulso produzida aumenta assim a capacidade de arrastamento e a energia do fluxo a ser fornecido para dentro das turbinas de produção de energia.

Conforme acima descrito em relação à análise de referência para a optimização do ciclo, a descrição acima em relação à Figura 9 exemplifica ainda a maior flexibilidade proporcionada pelos dois compressores para a divisão selectiva daquela parte da descarga da turbina, escolhida para a recuperação dentro do ciclo. 71

Voltando novamente à produção de etileno, outros conceitos estão relacionados com várias funções para, opcionalmente, o arresto das reacções químicas para a sua produção.

Esta situação é complementar às várias maneiras acima descritas para esta invenção para estabelecer as reacções químicas até uma resolução de produto predeterminada. Com a excepção dos produtos que envolvem os produtos que resultam em misturas de não equilíbrio, como as olefinas, principalmente o etileno, estas foram principalmente tratadas em relação às reacções relacionadas com o equilíbrio na produção de combustíveis sintéticos. 0 que se segue alarga ainda mais o tratamento do etileno. 0 fluxo transónico é alargado sobre um comprimento substancialmente maior em secções em série como forma de controlar melhor o carácter de milissegundos do tempo de passagem da pirólise e um aumento adicional do comprimento selectivo a jusante a fim de continuar a acelerar o fluxo: 1. de um modo supersónico depois do choque e um breve intervalo de pressão superior para assegurar o fluxo através de, pelo menos, um bico transónico seguinte; 2. alternativamente, o fluxo através do próximo ou do último bico de Lavai pode ser adequadamente rápido para algumas reacções se apenas ligeiramente subsónico; 3. este modo pode também ser apropriado quando todos os fluxos e bicos relacionados estiverem concebidos para operar a uma velocidade ligeiramente subsónico mas em crescente a jusante, para que a aceleração após a 72 pirólise seja consideravelmente maior para potenciar a regulação da reacção; 4. ainda outra opção é a de programar um choque depois da zona de pirólise que continua a acelerar o fluxo depois de um ligeiro aumento da pressão e uma ligeira desaceleração. 0 principal objectivo das acelerações acima descritas, particularmente depois da pirólise, é o de estabelecer ou "congelar" a reacção planeada levando à descida da temperatura da reacção através da convergência do contorno do canal ou tubo alterando assim a carga de pressão em energia cinética. De acordo com Raniere, um ligeiro aumento da pressão logo após a última zona de choque funciona para compensar a reacção endotérmica através do aumento da temperatura relacionada. Esta situação é verdadeira desde que ela seja seguida de um fluxo em aceleração e uma diminuição da temperatura.

Outras variações em relação às opções acima descritas podem ser realizadas pelos peritos em mecânica de fluidos e/ou em dinâmica de gases dentro do contexto desta invenção, desde que o objectivo de ter acelerações seja praticado como uma função de arrefecimento in situ, para regular a reacção de pirólise. Desta maneira, a necessidade de haver um arrefecimento com neblina de água é eliminada ou é minimizada. Se utilizada, a sua função posterior preferida é a de prolongar o fluxo através de uma turbina a fim de continuar a baixar a temperatura.

Os comentários que se seguem vêem suportar o acima descrito na utilização de ondas de choque para a pirólise. Os conceitos avançados de Hertzberg, Kamm, Raniere e outros que divulgam várias formas de actividade de choque podem ser comparados ou 73 confrontados com a técnica de Millisecond Furnaces que, embora seja capital intensiva, tem funcionado com sucesso ao longo de anos no mercado e desafiam os esforços competitivos para desenvolver uma tecnologia mais simples, mais compacta e menos capital intensiva. 0 outro facto simples de um ponto de vista meramente da mecânica de fluidos é que o fluxo nos tubos de uma Millisecond Furnace realiza a pirólise sem ondas de choque. Embora os fornos diferem em relação à forma dos tubos entre a entrada do colector e as secções de arrefecimento, é de considerar um forno de M. W. Kellogg conforme descrito por Ennis et al no seu documento intitulado "Olefin Manufacture via Millisecond Pyrolysis" (Chemtech Magazine, de Novembro de 1975). Os tubos são rectos, têm um diâmetro interior de aproximadamente 1 polegada e um comprimento de aproximadamente 36 pés. Para produções substanciais de etileno, o tempo de passagem é de 0,03 a 0,1 segundos. Com uma amplitude de temperatura de saída de 870-925 °C. De igual modo, a velocidade média em 36 pés varia de 360 a 1200 pés por segundo. A velocidade do som a = g k R T/m) 0,5 que, conforme dada para o vapor a 925 °C, é de 2700 pés por segundo (Tabelas de Gás de Keenan e Kay) . Por isso, com gRT constante, Mach 1 para produtos iria variar como k/m onde k = Cp/Cv e m é o peso molecular.

Com este quadro de referência o fluxo nesta invenção, no modo de onda de choque, pode começar com Mach número 3 ou superior, descer em cascata até um número Mach inferior selectivamente para se adequar à zona de pirólise no final, depois permitir uma ligeira desaceleração do fluxo antes de uma 74 aceleração relativamente brusca até à entrada da turbina. De igual modo, a pirólise pode ser considerada como estando a ocorrer, selectivamente na última zona de choque como um choque "bottle" ou choque de compressão em conformidade com os rácios L/D recomendados por Ascher H. Shapiro no seu texto "The Dynamic and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow" sob o titulo de "Normal Shocks in Ducts", páginas 135-137 e 1153-1156 (Ronald Press), de 1954.

As zonas supersónicas podem também ser proporcionadas em série para promover a mistura, primeiro para a geração de vapor in situ e depois para misturar o matéria prima com vapor, em que o matéria prima é doseado a uma velocidade substancialmente baixa, mas suficientemente veloz para manter a limpeza do tubo, em que a mistura de vapor-hidrogénio está a fluir à velocidade supersónica. A camada limítrofe nas condutas é sujeitada a impactos dos choques sucessivos, numa zona de choque de "bottle". Quando os produtos de alimentação são doseados na periferia, pode ser esperado que esta acção assista na sua difusão para dentro do fluxo principal e minimize o crescimento da camada limítrofe através da entrada como alguma energia cinética para dentro de uma zona de baixa pressão, mas ainda com uma velocidade relativamente baixa quando comparada com a do vapor de arrastamento supersónico. Todavia, quando o produto da alimentação é direccionado para dentro de uma zona de baixa pressão, a sua velocidade pode ser aumentada selectivamente a fim de permitir que o produto da alimentação penetre mais profundamente dentro do fluxo para potenciar ainda mais a mistura, particularmente em antecipação da ou para dentro de uma zona de choque. Um modo alternativo da pirólise, conforme acima mencionado, pode funcionar nesta invenção a velocidades subsónicas muito altas. 75

Para além disto, é consensual que as velocidades de aquecimento em ascensão aumentam a conversão para o carvão. Ver Von Rosenberg na patente U.S. 4 278 446. Em relação a uma diferença de temperatura de 1500 °K para uma partícula de carvão bem dispersada, ele propõe obter uma elevada velocidade de aquecimento de 106 °K/segundo. As velocidades da reacção variam de 0,6 a 2,4 milissegundos num difusor supersónico com um comprimento de aproximadamente 2 metros.

No seu relatório para o Departamento de Energia do Estados Unidos (DE-AC 21-85 MC 22058, de Março de 1987), a equipa consegui velocidades de conversão do carvão até 70% em cerca de 50 milissegundos. O comprimento do reactor a jusante do bico de DeLaval foi de 80'' até a estação de arrefecimento. Foram experimentadas pressões até cerca de 4 atmosferas e temperaturas até aos 4000 °C. Os fluxos entram no difusor supersónico à velocidade de Mach 2,27 e saem a Mach 2+. É interessante aplicar agora uma velocidade de aquecimento de 105 °K/segundo a um reactor de pirólise a vapor alimentado com etano da patente U.S. 5 300 216 de Hertzberg. Esta situação pretende estimar a parte do comprimento da reacção dedicada a alcançar o aumento de temperatura de 573 °C dada e mostrada na Figura 2B da patente. A temperatura máxima de 1000 °C está mostrada como uma subida de choque normal dos 427 °C como sendo a temperatura do etano e do vapor misturados. A temperatura da pirólise é dada como sendo de 863 °C. A descida de 1000 °C para 863 °C está mostrada no desenho como uma ponta que desce até à horizontal aos 863 °C. Esta situação ocorre durante uma alteração de pressão e de Mach de 9 bars e de Mach 0,44 até 10 bars e Mach 0,12 imediatamente antes do arrefecimento. Aos 76 1000 °C e 26,7 bars o vapor mistura-se com o etano a 381 °C para uma temperatura final pós-mistura, conforme acima descrito, de 427 °C. O número Mach a esta temperatura é de 2,8. A descrição acima é facilmente compreendida com a leitura dos desenhos da patente. O objectivo é o de mostrar que a subida até aos 1000 °C não poderia ocorrer enquanto dura uma onda de choque. De igual modo, uma velocidade de aquecimento prospectiva de 105 °K/segundo é utilizada para determinar o tempo para a subida dos 427 °C até aos 1000 °C e a distância relacionada até a linha de choque mostrada na Fig. 2B. A linha de choque simboliza uma onda de choque que Shapiro (página 134) dá como tendo uma espessura de 10-5 polegadas ou menos para choques imediatamente acima de Mach 1. A espessura está também relacionada com a trajectória livre média entre as moléculas. O rácio da espessura para a trajectória livre média é de 2 para choques na amplitude de Mach 2 ou superior. Para trazer em perspectiva os 105 °C/segundo, o tempo para a subida é determinado por: t = 573 °C/105 °C/segundo = 0, 0006 segundos ou 0,06 ms, aproximadamente

Para uma aproximação da ordem de magnitude, a mistura a 427 °C é considerada como sendo vapor a 1300 R. Da tabela de Keenan &

Kaye, a velocidade do som para vapor é dada como sendo de 2100 fps (pés por segundo):

Mach 2,8 x 2100 fps = 5880 ou 6000 fps O comprimento do reactor relacionado é: 77 6000 fps x 0,0006 segundos =3,6 pés

Este comprimento está na mesma ordem de magnitude que o trabalho de Von Rosenberg para o Departamento de Energia. Todavia, esta velocidade é pálida em relação à velocidade que seria necessária para uma subida de temperatura de 573 °C se ela tivesse de ocorrer numa distância de 10-5 polegadas.

Este argumento não pretende pôr em questão a subida, mas antes a relação tempo-espaço em que ela ocorreu. Presumivelmente, a temperatura começou a subir na chamada zona de mistura das Figuras 1 e 2B.

Neste contexto, é importante comparar o trabalho de Raniere, na patente U.S. 4 724 272. Ele ilustra claramente a pirólise na zona de choques múltiplos, como o faz Von Rosenberg. A Figura lb de Raniere mostra ali uma temperatura a subir constantemente, correspondendo a uma desaceleração linear da velocidade. Raniere mantém uma velocidade supersónica acima de Mach 2 ao longo da maior parte do reactor onde começam a ocorrer os choques múltiplos ou os choques "bottle". O fluxo vai para subsónico antes de entrar num difusor subsónico convergente. O reactor dele processou 1500 toneladas por dia de metano produzindo 43 toneladas por dia de etileno enquanto reciclava metano e hidrogénio. Ele desenvolve um fluxo de Mach 2 a cerca de 3 atmosferas a alimentar o jacto e realiza a pirólise entre os 500 e os 2000 °C.

Estes pormenores de funcionamento são mencionados porque eles são muito diferentes dos de Hertzberg. Eles indicam a plausibilidade de um processo de acordo com esta invenção, que 78 proporciona uma grande amplitude de flexibilidade e de controlo com o beneficio acrescido de facilitar a sua implementação à escala industrial, que não exclui a utilização de choques, mas apresenta uma forma de realização alternativa de um reactor concebido para acelerar os fluxos subsónicos elevados que podem utilizar choques selectivamente para a mistura e/ou a pirólise, mas que, por outro lado, pode operar com a outra forma de realização sem qualquer choque.

Em linha com o aspecto de energia total desta invenção e aqui em relação à produção de etileno (mas que também pode ser realizada na produção de gases de síntese) está a geração de vapor in situ, na câmara de combustão do motor de foguetão. Quando necessário, o vapor adicional pode ser gerado imediatamente a jusante do bico do motor de foguetão onde pode ser adicionado calor adicional conforme necessário. 0 combustível preferido para o motor de foguetão é o hidrogénio. Por isso, se for necessário mais espaço para a geração de vapor, o calor para esta função pode ser proporcionado através da queima do hidrogénio adicional relacionado quer a fluir (de um modo preferido) como parte do jacto, quer adicionado secundariamente imediatamente a jusante do jacto. 0 hidrogénio é fornecido por uma fonte de energia de motor de foguetão independente como uma operação de primeira fase das formas de realização com processo de cracking do etileno acima descritas. Podem ser utilizados outros combustíveis desde que os produtos de combustão estejam livres de oxigénio e sejam também quimicamente compatíveis com a função da pirólise. Um jacto ligeiramente rico em hidrogénio também é compatível nalgumas operações de pirólise. A sua pureza é 79 naturalmente aumentada para a combustão pós-jacto quando o vapor adicional é requerido a jusante do jacto. A especificação da invenção - na pirólise de olefinas em relação ao fluxo sónico e/ou transónico a Figura 10 é um diagrama de um ciclo fechado de pirólise a vapor de quase energia total para a produção de olefinas no motor de foguetão alimentado no modo transónico. O modo alternativo em que o fluxo é quase sónico e continuamente subsónico em toda a sua extensão não está configurado.

Naturalmente que as combinações dos dois modos ainda está no contexto desta invenção conforme é evidente para os peritos na técnica de dinâmicas de gases, em particular, quando existe uma transição da dinâmica dos gases in situ para o fluxo subsónico do tipo venturi na mecânica de fluidos.

Voltando agora à Fig. 10, o 1001 é uma câmara de combustão de motor de foguetão concebido para temperaturas até aos 5000 F e pressões relativamente ilimitadas. O 1002 é um bico de DeLaval concebido na amplitude de Mach 0,8 a 5. O vapor é gerado em 1001 in situ através da injecção de vapor para dentro da câmara de combustão de motor de foguetão. Quando no processo é necessário vapor adicional de água, esta situação ocorre no difusor 1003 que, neste caso, é alimentado e servido pelo bico DeLaval na amplitude de Mach 0,8 a 0,9 + , em que a combinação de 1002 e 1003 constitui um venturi em que a água adicional é doseada para a geração de vapor. 80

Quando não é necessário vapor adicional, os bicos 1002 e 1003 são concebidos para um fluxo supersónico na amplitude de Mach 1+ ate 5.

Em qualquer caso, o bico 1004 e difusor 1005 são transónicos para o fornecimento de fluxos supersónicos para dentro da conduta 1006 que, de um modo preferido, tem uma secção transversal constante (embora seja permitida uma conduta ligeiramente divergente) . Em qualquer caso, de um modo preferido, a concepção e o fluxo do processo relacionado são programados para emergir de 1006 num fluxo subsónico que pode ser aumentado em pressão através de uma ligeira divergência na extensão (não mostrada) da conduta 1006 antes de convergir fortemente em 1007 para o acoplamento firme com a turbina 1008 de expansão que exporta a energia P, que pode, opcionalmente, ser aplicada ao turbocompressor ou para a geração de electricidade, AC ou DC, a ser utilizada, de um modo preferido, dentro do processo.

De igual modo, o que está a ser descrito é uma circuito quase fechado para a quase total conservação de energia onde a principal fonte de energia (em conformidade com esta invenção e com o descrito nas muitas formas de realização anteriores) é a fonte 1001 de energia do motor de foguetão como uma cascata de pressão-temperatura em que a turbina 1008 converte parte da referida energia em energia de exportação P que pode ser devolvida ao ciclo sem qualquer especificidade conforme aplicada de uma forma prática por um perito na técnica convencional de engenharia de processos.

Continuando agora no circuito, o fluxo passa para dentro do condensador 1009. De um modo preferido, a água de arrefecimento 81 (não numerada) indicada pelas setas, é utilizada e aquecida ainda mais como sendo a fonte de vapor a ser fornecido para dentro de uma fonte de energia de motor de foguetão da primeira fase e de um reactor de energia conservada que fornece o hidrogénio ou um gás combustível contendo hidrogénio para dentro da câmara de combustão 1001 através da linha 1022 do motor de foguetão da segunda fase. O oxigénio necessário para a queima na câmara de combustão 1001 pode vir na linha com a pressão do sistema ou pode ser comprimido por uma fonte de energia eficiente das formas de realização anteriores. Para este modo o oxidante está representado na Figura 10 como sendo oxigénio. Um modo alternativo que utiliza ar iria necessitar de meios compressores semelhantes.

Um outro processo pode envolver hidrogénio 1015 adicional a jusante e distribuído para a reacção de pirólise na zona 1 via 1003 com o matéria prima e/ou como 1016 para dentro da zona 2 via 1004 e/ou da zona 3 via 1005. Em cada caso os fluxos serão controlados e doseados utilizando meios adequados, como acontece com todos os fluxos no processo a fim de gerir a estoquiometria prescrita.

As funções alternativas da conduta 103 são: para produzir mais vapor conforme necessário, para gerar fluxos subsónicos altos ou para produzir fluxos supersónicos altos em relação ao jacto 1002. Cada modo, cada concepção e especificação de fluxo coordenado são feitos à medida para ir de encontro a um processo programado. Estas funções estão aqui descritas como uma série interrelacionada de condutas 1002, 1003, 1004, 1005, 1006 e 1007. 82

Esta série está descrita em mais pormenor como funções nas zonas 1 a 4, particularmente em relação à extremidade do lado direito e esquerdo da secção 1003 da conduta. Consequentemente, ela converge para a direita para qualquer uma das seguintes funções para: A. acelerar os fluxos subsónicos altos para e através da sua extremidade do bico do lado direito vindo de uma acção global de venturi do jacto 1002 no lado esquerdo; B. acumular uma carga estática adequadamente alta na maior secção transversal intermédia da conduta 1003 de modo a produzir um jacto transónico no seu bico na extremidade do lado direito, produzindo assim um fluxo supersónico alto da zona 1 para a zona 2; e continuando no fluxo supersónico para produzir selectivamente choques garrafa ou um choque normal na zona 3; C. desenvolver um número de Mach adequadamente alto (até Mach 5 ou superior) conforme necessário no jacto 1002, para que ao produzir um choque de transição à medida que o fluxo entra no contorno do lado direito ou convergente da conduta 1003, seja retida uma carga estática suficiente para produzir selectivamente uma velocidade subsónica alta ou uma velocidade supersónica mais baixa no bico do lado direito da zona 1.

Embora a sequência de Mach em cascata acabada de ser descrita afecte um fluxo em desaceleração através da zona 1, a cascata pode ser gerida através da selecção de uma pressão de estagnação dentro da câmara de combustão 1001 do motor de foguetão em coordenação com o jacto 1002, para que o fluxo, conforme acima descrito, através da extremidade do lado direito 83 da zona 1 seja subsónico alto ou um fluxo supersónico adequado. Não obstante a desaceleração, as condutas 1006 e 1007 (relacionadas com as zonas 3 e 4) estão ainda correlacionadas e são então contornadas para acelerar o fluxo conforme acima descrito. Desta maneira, os fluxos através das zonas 3 e 4 para os casos A < B e C são acelerados de igual maneira. Para além disto, para todos os casos as funções acima descritas para os fluxos através da zona 1 serão aplicáveis independentemente da geração de vapor dentro delas. O objectivo principal desta invenção é o de acomodar uma amplitude lata de produtos de alimentação e de produção resultando numa amplitude lata de fluxos, assim como para facilitar a sua instalação à escala industrial a partir de protótipos. Consequentemente, ela não está de todo limitada a 4 zonas desde que as funções das zonas 3 e 4 se tornem, por exemplo, em 5 e 6. Neste caso, a zona 1 iria repetir-se como zonas 1 e 2 com as zonas 2 e 3 a tornarem-se em 3 e 4.

Por outro lado, para alguns processos pode ser aplicada uma série mais curta. De igual modo, a zona 2 intermédia pode tornar-se na parte direita da zona 1, descartando assim a extremidade do lado direito da zona 1, e assim por adiante. O vapor condensado e o gás de produto vindos do condensador 1009 são separados em 1010. Os gases de produto, principalmente olefinas, são exportados para um processamento e uma utilização adicionais. A água morna separada é bombeada pelo 1011 para se tornar na água 1013 para a regeneração do vapor da pirólise no difusor 1002-1003 do bico depois de desviar o excedente de água na estação 1012. O fluxo 1013 de água de retorno está mostrado dividido no fluxo 1017 para a injecção a alta pressão para 84 dentro da câmara de combustão 1001 e/ou como fluxo de alta ou baixa pressão imediatamente a jusante do jacto. A água 1014 a baixa pressão vinda de uma fonte externa destina-se principalmente à fase de arranque e como uma função de ajuste para ajustes posteriores do fluxo de estado estacionário.

Como função adicional, o vapor 1014 é sangrado e desviado através da válvula D de controlo para minimizar ou eliminar grandemente a camada limítrofe desenvolvida pelos choques "bottle" que desenvolvem camadas limítrofes nas condutas com áreas constantes. Este vapor pode ser injectado no início da ou através da região de camada limítrofe, através de perfurações, ranhuras ou forçado através de meios porosos.

Outra forma de realização utiliza vapor 1021 como função de ajuste e, alternativamente, o substituir efectivamente todo ou a maioria da geração de vapor in situ. Esta situação ocorre enquanto mantém ainda o objectivo de energia quase total desta invenção assim como as funções de dinâmica de fluidos e de gases acima descritas. A alimentação 1021 de vapor pode também ser dotada com vapor sujo que está disponível nalgumas unidades. O vapor limpo pode ser fornecido por um gerador de vapor ou caldeira aquecidos separadamente que estejam integrados com o ciclo da pirólise. De igual modo, o condensado 1013 em vez de fluir para ser distribuído para dentro do complexo do motor de foguetão conforme mostrado na Figura 10, é agora encaminhado através de um processo de purificação antes de ser devolvido à caldeira. A vantagem da forma de realização com caldeira é que ela minimiza a quantidade de hidrogénio para o ciclo da pirólise. Na 85 forma de realização preferida, a caldeira é dotada com a sua própria fonte de energia de motor de foguetão que fornece combustível à caldeira conforme acima descrito para as outras formas de realização com caldeira desta invenção.

Quando a caldeira é especificada exclusivamente para o ciclo da pirólise, o gás combustível preferido é fornecido pela energia do seu motor de foguetão é hidrogénio e dióxido de carbono porque eles podem ser produzidos em excesso, por isso o excedente é desviado para alimentar o motor de foguetão complementar que alimenta o comboio da pirólise. Esta alimentação é programada para ajustar ou aumentar a temperatura do vapor vindo da caldeira que entra na mesma câmara de combustão do motor de foguetão a uma pressão controlada comum. De igual modo, o dióxido de carbono complementa e potência o vapor da caldeira como meio da pirólise. Quando o oxidante é ar, o meio da pirólise passa a ser vapor, dióxido de carbono e azoto.

Esta caldeira pode também ser concebida para produzir uma quantidade adicional de vapor para alimenta uma turbina a vapor, como complemento à turbina 1008, proporcionando assim um ajuste no sentido da energia total para o processo. Outra vantagem da forma de realização com caldeira é que ela minimiza as necessidades de oxigénio ou de ar e, consequentemente, a compressão mecânica necessária para alimentar o motor de foguetão para o comboio da pirólise. O comboio da pirólise pode também ser desde uma pequena adição ao processo até uma grande unidade de geração de vapor. De igual modo, todas as funções e combinações acima descritas também se aplicam. Voltando novamente à forma de realização sem 86 caldeira, o gás combustível preferido a ser fornecido ao motor de foguetão que alimenta a pirólise é o hidrogénio e o dióxido de carbono. 0 hidrogénio é queimado para produzir vapor in situ a partir de água. De igual modo, devido ao complemento de dióxido de carbono é necessário menos vapor e menos hidrogénio; e, naturalmente, ainda menos é necessário se o hidrogénio for queimado com ar, devido ao complemento de azoto para o meio da pirólise conforme descrito na forma de realização com caldeira. A principal fonte de energia para o ciclo é a temperatura e a pressão em cascata desenvolvidas na câmara de combustão do motor de foguetão. Os parâmetros de controlo do ciclo são a temperatura e a pressão predeterminadas desenvolvidas para a reacção da pirólise sempre que ela for programada para ocorrer. Ao ponto de a pressão da pirólise poder ser aumentada favoravelmente para a reacção química desejada, é preferível aumentar a pressão de modo a aumentar a energia de exportação da turbina no sentido de a aproximar da energia de bombagem necessária em 1011. Em reacções de baixa pressão, o equilíbrio de energia é atingido através do aumento do fluxo na linha 1018 enquanto o fluxo na linha 1017 é controlado no sentido do zero. O equilíbrio é ainda melhorado quando é gerada energia suficiente para accionar o compressor 1020 que fornece os gases submetidos a um processo de cracking através da linha 1014. Não foi anteriormente referido mas algum do condensado pode ser reciclado e aplicado com meio de arrefecimento imediatamente antes da conduta 1007 de convergência para ajudar, quando necessário, como maneira adicional de reduzir a temperatura do fluxo após a pirólise a fim de regular a reacção de olefina. O aumento do fluxo de massa através da turbina serve para 87 compensar, em certa medida, a perda de energia que resulta do decréscimo relacionado da temperatura da entrada da turbina.

Em resumo, as duas formas de realização principais estão aqui apresentadas em relação a um comboio de reactor com uma segunda ou comum fase final conforme mostrado na Figura 10. No primeiro caso, a primeira fase compreende uma fonte de motor de foguetão em cascata de gás combustível e energia para a fase final e o vapor é gerado in situ. No segundo caso, a primeira fase compreende um complexo de motor de foguetão com caldeira em que a caldeira fornece o vapor e a pressão essencialmente para a segunda fase; e a fonte de energia de motor de foguetão fornece o combustível para a caldeira e um excedente de gás combustível predeterminado para a segunda fase.

Cada complexo de duas fases representa um ciclo de reactor de energia quase total para os processos químicos de equilíbrio e de não equilíbrio em que praticamente toda a energia compressiva mecânica dentro do circuito converte-se primeiro em calor e depois em energia química e calor sensível nos químicos produzidos.

Para além disto, pode ser facilmente deduzido pelos peritos na técnica da dinâmica de fluidos e de gases, assim como na produção de vapor, que, finalmente, a fonte de energia de motor de foguetão e o combustível descritos desde o início desta invenção, incluindo as variações com caldeira, podem ser aplicados para o controlo cinético em reacções em equilíbrio conforme descrito em relação à Figura 10 para as reacções da pirólise relacionadas com a produção de olefinas e diolefinas. 88

Em conclusão, a divulgação desta invenção implica o dispêndio de energia numa cascata para uma ou mais máquinas motoras, por exemplo, turbinas de expansão, para que o fornecimento final seja electricidade ou trabalho mecânico. Dentro da acção da cascata, os combustíveis de hidrocarbonetos ou outra matéria carbonosa são sujeitados a uma força accionadora aero-termoquímica, uma pressão de estagnação relativamente ilimitada e temperaturas de combustão até aos 5000 F para fornecer jactos de formulações compatíveis para bombardear e/ou arrastar a matéria carbonosa introduzida a jusante. A consequência é a produção de um gás combustível que é mais económico e mais adequado físico-quimicamente á motor primário. A descarga vinda do motor primário é então adequada para um ciclo em que ela é recomprimida e fornecida à pressão máxima no topo da cascata. A parte da descarga que é desviada para a exportação pode ser utilizada para aquecer previamente o oxidante e o combustível que entra no ciclo para a recompressão da descarga. O combustível para a recompressão proporciona uma parte substancial da pressão máxima de combustão necessária. De igual modo, o combustível contabilizado pode também ser fornecido para o arrastamento da propulsão do jacto num ou mais locais a jusante do jacto superior; isto é, entre o jacto superior e a carga da turbina ou de outra motor primário onde o gás combustível é queimado à temperatura e pressão da concepção. O reactor pode transformar e fornecer produtos reagentes para qualquer objectivo, com ou sem a produção de electricidade. Para além disto, o calor residual pode ser aplicado a qualquer necessidade de calor endotérmico para muitas reacções semelhantes às que estão descritas nesta invenção. O hidrogénio e gases de síntese são proporcionados para a amónia, metanol e outros produtos petroquímicos. O etileno, acetileno e outros 89 produtos de pirólise submetidos a um processo de cracking são proporcionados para a refinação a jusante e as operações petroquímicas. As reacções misturadas com sólidos, como os óxidos de ferro e esponja de ferro para as siderurgias e células de combustível também produzem resultados excepcionais com esta invenção. Finalmente, a temperatura e a pressão são, em grande parte, determinantes para conduzir as reacções até à sua conclusão através de uma ou mais zonas transónicas. Com a estoquiometria doseada e controlada, com reacções a ocorrerem em milissegundos e com a intensa acção dinâmica de gases acima descrita, o controlo cinético nas operações do processo pode ser desenvolvido ao longo de períodos de tempo relativamente curtos. A estoquiometria doseada e faseada num ambiente de reacção controlada cineticamente resulta num arrefecimento com autonomia térmica. Se desejado, pode ser utilizado o arrefecimento convencional para congelar as espécies intermédias da reacção. Para além disto, podem também ser utilizados catalizadores para promover a reacção em condições operacionais menos graves e conseguir a remoção simultânea de enxofre e outros poluentes. A aplicação da fonte de energia descrita nesta invenção a uma grande variedade de processos de produção de electricidade, químicos e outros pode preencher uma grande lacuna na indústria e no mundo.

Lisboa, 27 de Novembro de 2007 90

Claims (69)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo compreendendo os passos de: a. proporcionar um sistema compreendendo um compressor (134), uma câmara de combustão (102) e um túnel (121-132) adiabático tendo entradas de linhas ramificadas; b. fornecer selectivamente a pelo menos, um de entre a referida câmara de combustão (102) e o referido túnel (121-132) adiabático via as entradas de linhas ramificadas, um oxidante e, pelo menos, um de entre uma matéria prima e um combustível a alta pressão para uma reacção de combustão, independentemente da sua extensão no referido túnel; c. criar a referida reacção de combustão a uma temperatura elevada e à referida pressão; d. fornecer os produtos da reacção de combustão através do referido túnel (121-132) adiabático; e. formar uma massa predeterminada de gás a uma temperatura e pressão predeterminadas no final do referido túnel (121-132) adiabático para, pelo menos, uma utilização final seleccionada para a produção de energia ou químicas; f. proporcionar, pelo menos, uma descarga vinda do referido processo; g. recuperar a referida descarga e/ou o conteúdo calorífico da referida descarga através da recompressão da referida descarga no referido compressor (134) como parte de um fluxo de gás; e h. reciclar e co-misturar o referido fluxo de gás e os produtos da reacção de combustão em, pelo menos, um de 1 entre a câmara de combustão (102) e o referido túnel (121— 132) adiabático.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1 em que um motor (102) de foguetão serve como a referida câmara de combustão capaz de queimar até aos 5000 F com pressões de estagnação relativamente ilimitadas em que o referido motor alimenta um jacto rico em vapor para fazer a admissão e propulsão de um ou mais fluidos fornecidos através das referidas linhas de ramificação para dentro do referido túnel (121-132) adiabático, em que os referidos fluidos são, em primeiro fornecidos a pressões adequadas a trás ou para dentro de uma secção (120) de bico do referido motor de foguetão e/ou para dentro das secções (131, 132, 128) de bico a jusante no referido túnel e, ainda, em que todos os referidos fluidos são conservados e juntos no referido túnel como uma massa unificada, às referidas temperatura e pressão predeterminadas, no final do referido túnel como uma fonte de combustíveis produzidos, olefinas/acetilenos, gases de síntese, hidrogénio e/ou a referida energia.
3. 3. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que uma parte substancial dos referidos combustíveis produzidos e/ou hidrogénio são reciclados para alimentar substancialmente o referido motor (102) de foguetão e/ou o referido, pelo menos um, compressor (134).
4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que os referidos combustíveis produzidos são queimados para alimentar turbinas a gás e turbinas livres. 2
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que combustíveis sintéticos são produzidos por reacções de transformação que ocorrem em qualquer um ou mais reactores (121, 122, 123) intervalados entre as referidas secções (131, 132, 128) de bico do referido túnel (121-132).
6. 6. Processo de acordo com a reivindicação 5, em que os referidos combustíveis produzidos são queimados para a qeração de vapor numa caldeira que pode alimentar uma turbina alimentada a vapor, em que uma parte do referido vapor e/ou uma parte da descarga vinda da referida turbina é reciclada para dentro da secção (120) de bico do referido motor (102) de foguetão e/ou das secções (131, 132, 128) de bico do referido túnel.
7. 7. Processo de acordo com a reivindicação 4, em que os referidos combustíveis produzidos são produzidos através da transformação de matéria contendo hidrogénio, água e/ou vapor que são introduzidos dentro de qualquer uma das referidas secções (131, 132, 128) de bico para reagir com o referido jacto rico em vapor.
8. 8. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que o referido compressor (134) também faz a recompressão do material recuperável adicional para o fornecer a pressões adequadas para dentro da referida secção (120) de bico do referido motor (102) de foguetão e/ou das referidas secções (131, 132, 128) de bico a jusante a fim de aumentar o fluxo de massa do referido motor de foguetão.
9. 9. Processo de acordo com a reivindicação 1, adaptado para a produção de amónia, metanol e/ou gases de síntese pelo 3 método de Fischer Tropsche num andar com metano ou gás natural como matéria prima em que uma fracção da referida matéria prima é queimada a uma pressão adequada com ar e água para produzir um jacto rico em vapor vindo do referido motor (102) de foguetão, em que os constituintes do referido jacto reagem sem a introdução de calor exterior com uma quantidade predeterminada da referida matéria prima doseada atrás do bico ou para dentro da secção (120) de bico do referido motor e/ou para dentro das secções (131, 132, 128) de bico dentro do referido túnel e a jusante do referido motor para que a reactividade seja potenciada com fluxos de jacto até velocidades transónicas que, depois, produzem selectivamente ondas de choque conforme necessário para fornecer a referida amónia, metanol e/ou gases de sintese pelo método de Fischer Tropsche com dióxido de carbono vindo do referido túnel para a separação e purificação para processamento adicional.
10. 10. Processo de acordo com a reivindicação 3, em que dois andares (503, 504) do motor de foguetão são utilizados com o primeiro andar (503) proporcionando dióxido de carbono e hidrogénio que são fornecidos à secção de bico do segundo motor (504) de foguetão e/ou as secções de bico num túnel subsequente acoplado ao referido segundo motor de foguetão, em que uma fracção da matéria prima, metano ou gás natural é queimada com ar e água em cada combustão faseada para produzir calor e jactos ricos em vapor e qualquer oxigénio não reagido para uma subsequente oxidação completa produzindo, em último lugar, hidrogénio e azoto no rácio correcto sem introdução de calor para que a amónia e o dióxido de carbono possam ser fornecidos desde o referido 4 túnel para separação e purificação para processamento adicional.
11. 11. Processo de acordo com a reivindicação 4, em que a potência de cada turbina é substancialmente aumentada pela redução ou eliminação da carga do seu compressor de ar de combustão no mesmo veio, quando o referido ar de combustão é fornecido pelo referido, pelo menos um, meio compressor accionado de uma maneira independente.
12. 12. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a água e/ou o vapor é introduzido num reactor de transformação ou grupo de reactores (121, 122, 123) de transformação localizados dentro do referido túnel, reagindo, assim, termoquimicamente dentro do referido reactor ou reactores com a referida saida do referido bico alimentado pela referida câmara de combustão e saida reciclada do referido meio compressor para formar hidrogénio.
13. 13. Processo de acordo com a reivindicação 4, em que a referida massa de gás predeterminada é fornecida para alimentar uma ou mais das referidas turbinas livres, e em que uma parte da descarga vinda das referidas turbinas livres é comprimida num meio compressor intermédio e fornecida para adições intermédias de calor entre dois ou mais andares da turbina.
14. 14. Processo de acordo com a reivindicação 6, em que água em quantidades substanciais é introduzida para se misturar com a descarga quente vinda da referida turbina alimentada a vapor e uma quantidade substancial da mistura resultante é encaminhada para as referidas reacções de transformação. 5
15. 15. Processo de acordo com a reivindicação 14, proporcionando ainda uma fonte de calor para uma segunda fonte de energia de motor de foguetão que transforma a saida da referida segunda fonte de energia num produto combustível.
16. 16. Processo de acordo com a reivindicação 6 incluindo ainda proporcionar: um comutador de calor; um terceiro motor de foguetão tendo um bico; uma turbina tendo uma câmara de combustão para alimentar um compressor; fornecer combustível e oxidante ao referido terceiro motor de foguetão; encaminhar a saída do referido bico do terceiro motor de foguetão para dentro do referido comutador de calor de modo a arrefecer a referida saída e sobreaquecer o vapor vindo da referida caldeira; e transferir o vapor resultante sobreaquecido para a referida turbina a vapor.
17. 17. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que o referido motor de foguetão é disparado, descarrega uma quantidade substancial de produtos adicionais que são arrastados no referido túnel a partir de, pelo menos, uma outra combustão como fonte adicional de energia e massa para a referida transmissão de energia através do fluido.
18. 18. Processo de acordo com a reivindicação 2, que constitui um ciclo em que uma fonte de energia do primeira andar proporciona a produção de hidrogénio através de uma reacção 6 de vapor de água com qualquer um dos seguintes materiais carbonosos reactivos: 1. metano; 2. gás natural; 3. carbono de carvão; 4. biomassa; 5. carvão vegetal; 6. qualquer hidrocarboneto; em que o referido sistema reactivo que é activado por um fluxo que atinge uma velocidade transónica dos produtos de combustão e de produtos de combustão arrastador adicionais, em que as energias para ambos os referidos produtos de combustão são desenvolvidos através da queima de oxigénio ou de portadores de oxigénio e qualquer combustível que seja compatível com a referida reacção, e em que a energia dos referidos produtos adicionais proporciona a energia de compressão para o fluxo que atinge níveis transónicos para que o hidrogénio produzido desta maneira possa agora ser dividido em três trajectórias para três processos interrelacionados em que: 1. o hidrogénio, na primeira trajectória, potência uma operação (500) da célula de combustível e a descarga de vapor de água resultante numa cascata de pressão da referida fonte de energia (503, 505) do primeiro andar continua a fluir para se queimar com oxigénio na forma de energia de combustão para o desenvolvimento de energia através da expansão dos produtos da combustão da referida energia; 7 2. o hidrogénio, na segunda trajectória é aplicado directamente na combustão (501) para desenvolver energia adicional que se combina com aquela que vem da primeira trajectória através da expansão dos seus produtos da combustão; e 3. o hidrogénio, na terceira trajectória combina-se com o dióxido de carbono (que é produzido e separado do hidrogénio antes de o hidrogénio ser dividido para dentro das referidas três trajectórias), em que ambos são agora potenciados pela pressão de accionamento do primeiro andar para desenvolver um jacto pressurizado da segunda fase, sem combustão, que, por sua vez, activa o reactor (504) de energia conservada do segundo andar em que o hidrogénio da referida terceira trajectória reduz o óxido de ferro, FesCh, injectado no referido reactor imediatamente a jusante do referido segundo jacto o que dá, por isso, o seguinte resultado: A. produção de esponja de ferro (Fe); B. s dióxido de carbono e o vapor de água, ainda sob pressão, fornecem calor adicional sob a referida pressão e fluiem e combinam-se com outros produtos de combustão em expansão para produzir a referida energia.
19. 19. Processo de acordo com a reivindicação 18, em que qualquer uma das referidas trajectórias pode funcionar sozinha e independentemente.
20. 20. Processo de acordo com a reivindicação 18, em que a primeira trajectória e a terceira trajectória são fechadas 8 e a segunda trajectória fornece a energia para cargas máximas fora das horas de ponta.
21. 21. Processo de acordo com a reivindicação 18, para a terceira trajectória quando o dióxido de carbono da fonte de energia do primeiro andar é de baixa pressão ou desviado, em que uma parte do hidrogénio do referido andar é queimado com oxigénio na combustão (506) do motor de foguetão do segundo andar e o hidrogénio remanescente é doseado para dentro da secção de bico da referida combustão do motor de foguetão para se misturar, doseado como uma proporção, pelo menos por estoquiométrica, com o óxido de ferro doseado para dentro da referida secção de bico e/ou das secções de bico adicionais a jusante da secção (512) do reactor para produzir esponja de ferro.
22. 22. Processo de acordo com a reivindicação 21, em que a esponja de ferro é fornecida à secção de bico do motor de foguetão e/ou às secções de bico a jusante numa operação (512) de terceiro andar em que a esponja de ferro reage com metano, que é parcialmente oxidado na combustão do referido motor, para que o jacto resultante com excesso de metano em proporções adequadas reaja com a referida esponja de ferro para produzir carboneto de ferro e hidrogénio.
23. 23. Processo de acordo com a reivindicação 17, adaptado para a produção de carboneto de ferro em, pelo menos, dois passos, em que o metano é parcialmente oxidado numa combustão de motor de foguetão de último andar proporcionando um jacto com uma fracção com excesso de metano ou o metano é doseado para dentro das secções de bico a jusante em proporções adequadas para reagir com a esponja de ferro fornecida à 9 secção de bico do referido motor e/ou às secções de bico a jusante, produzindo o referido carboneto de ferro e hidrogénio, em que o hidrogénio é, depois, reciclado para dentro de um reactor anterior adequado do motor de foguetão para reduzir o óxido de ferro produzindo assim uma quantidade substancial de esponja de ferro.
24. 24. Processo de acordo com a reivindicação 2, adaptado para fazer o cracking de matéria prima de metano e, maioritariamente, parafina em misturas maioritariamente de olefina e diolefina, metano em etileno/acetileno e etano em etileno, por exemplo, em que uma fonte maioritariamente de vapor é produzida numa combustão do motor de foguetão para descarregar um jacto transónico para interagir com as matérias primas doseadas para dentro da secção de bico atrás do referido jacto e/ou para dentro das secções de bico a jusante do referido jacto, desta maneira, fazendo o cracking para descarregar etileno e vapor para uma separação adequada.
25. 25. Processo de acordo com a reivindicação 24, em que o reactor a jusante compreende, pelo menos, duas zonas opcionais de realização do cracking por motivos de flexibilidade, localizando zonas de choque precisas sob várias velocidades de fluxo e diferenças de pressão relacionadas com o choque para uma gama substancial oferecida pela referida pressão de estagnação relativamente ilimitada na referida combustão do motor de foguetão.
26. 26. Processo de acordo com a reivindicação 24, adaptado para a produção de etileno, em que os gases de sintese coproduzidos como um gás de pirólise numa alimentação de 10 primeira andar, para além de produzir alguns gases de síntese para exportar e/ou para a produção de energia, em que uma quantidade adicional é proporcionada na reciclagem como uma fonte substancial de combustível para o referido motor de foguetão e/ou referido motor primário para que, pela diferença do fluxo de gás de síntese total, seja proporcionado um gás de síntese suficiente para a produção de etileno de acordo com o procedimento que se segue em que o gás de síntese a pressão elevada é fornecido, na quantidade predeterminada, para a combustão de um motor de foguetão de segundo andar e queimados neste para produzir um jacto de pirólise adequado para fazer o cracking do metano, doseado e enviado para dentro da secção de bico do motor de foguetão e/ou uma ou mais secções de bico a jusante do bico na direcção do referido motor de foguetão de último andar.
27. 27. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que os fluxos sub e supersónicos são organizados como um ou mais pares simétricos inclinados para e seguindo no interior ou exterior o fluxo principal produzido pelo referido jacto do motor tal como misturado com uma quantidade predeterminada de matéria prima enviada para dentro da referida secção de bico do motor e/ou uma ou mais das referidas secções de bico a jusante.
28. 28. Processo de acordo com a reivindicação 2, em que são feitas disposições adequadas para, pelo menos parcialmente, arrefecer o fluxo do produto através da utilização de vapor, água ou outros químicos. 11
29. 29. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que a referida energia é aplicada para se expandir numa turbina a gás ou numa ou mais turbinas livres, em que, pelo menos, uma parte substancial dos gases de escape vindos das referidas turbinas é recomprimida e é encaminhada para se misturar novamente com os referidos produtos da referida combustão em conformidade com as referidas temperatura e massa predeterminadas para a energia de exportação das referidas turbinas.
30. 30. Processo de acordo com a reivindicação 29, em que o calor e/ou a massa excedem as necessidades das referidas turbinas, em que o excesso é convertido termoquimicamente em combustível para, pelo menos, alimentar o referido compressor e/ou o referido motor de foguetão.
31. 31. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que a matéria reactiva é introduzida no referido túnel para conversão termoquímica em hidrogénio, combustíveis sintéticos, olefinas/acetilenos e outros produtos químicos.
32. 32. Processo de acordo com a reivindicação 2, adaptado para fazer o cracking da reacção ou outra reacção química, em que uma fonte maioritariamente de vapor é desenvolvida numa combustão de motor de foguetão para ser descarregada através de um bico transónico para interagir com a matéria prima doseada e enviada para dentro da secção de bico do referido motor e/ou para dentro de uma ou mais secções de bico a jusante, em que o referido processo de cracking ou outra reacção química, é programado, pelo menos, numa estação de reactor entre as referidas secções de bico ao longo de um intervalo de velocidades de fluxo e de rácios 12 de vapor-alimentação resultando assim, respectivamente, nos produtos do referido processo de cracking ou outra reacção quimica.
33. 33. Processo de acordo com a reivindicação 32, em que a referida matéria prima é encaminhada, opcionalmente, para um lado da pressão elevada ou um lado de baixa pressão do referido bico transónico e/ou para o lado de pressão elevada ou lado de baixa pressão das referidas secções de bico a jusante.
34. 34. Processo de acordo com a reivindicação 32 ou 33, em que as referidas estações de reactor compreendem, opcionalmente, zonas de reacção para controlar a selectividade da produção ao longo de amplas velocidades de fluxo para várias pressões proporcionadas pela pressão de estagnação relativamente ilimitada na referida combustão do motor de foguetão.
35. 35. Processo de acordo com a reivindicação 33, em que as referidas matérias primas que entram nas referidas secções de bico são aceleradas até velocidades transónicas pelo jacto original do referido motor de foguetão que é programável até Mach 5 e superior.
36. 36. Processo de acordo com a reivindicação 32, em que o vapor é gerado in situ com água doseada e enviada para a referida combustão e/ou uma secção adicional imediatamente a jusante do referido bico e antes da referida estação de reactor, em que o referido vapor é produzido pela transferência directa de calor vinda do jacto quente que emana do referido bico a uma temperatura seleccionada até aos 5000 F. 13
37. 37. Processo de acordo com a reivindicação 36 em que a energia para reciclar o condensado é proporcionada pela expansão do fluxo após o processo de cracking ou outra reacção química.
38. 38. Processo de acordo com a reivindicação 1, adaptado para desenvolver uma fonte de gases quentes comprimidos, expandidos numa turbina para exportar energia, em que uma parte substancial da descarga vinda da referida turbina é comprimida independentemente e fornecida a um túnel quase adiabático para o fornecimento final dos referidos gases, a par de outros gases também comprimidos de uma maneira independente e também fornecidos ao referido túnel que, juntos na extremidade do referido túnel, compreendem, pelo menos, um fluxo quente a uma temperatura e pressão predeterminada para a referida energia de exportação.
39. 39. Processo de acordo com a reivindicação 38, em que, pelo menos, uma parte dos referidos gases é, em primeiro lugar, fornecida à combustão de um motor de foguetão na entrada do referido túnel a uma pressão substancialmente superior à referida pressão predeterminada para que a diferença entre as referidas pressões seja convertida substancialmente em calor útil a partir das perdas da carga por fricção na mistura mútua dos referidos gases entre a referida combustão e a entrada para a referida turbina.
40. 40. Processo de acordo com a reivindicação 38, em que a referida compressão independente é proporcionada por qualquer motor primário e, ainda, em que a descarga do mesmo referido motor primário e/ou outra descarga vinda do referido processo é recomprimido pelo referido motor 14 primário e fornecido ao referido túnel como um constituinte dos referidos gases.
41. 41. Processo de acordo com a reivindicação 38, em que o fluxo a jusante da referida combustão inclui oxigénio não reagido para suportar um impulso pós-queima pelo combustível doseado para dentro de uma união no referido túnel escolhido para maximizar o impulso do fluxo de massa aumentado desta maneira para dentro da referida turbina.
42. 42. Processo de acordo com a reivindicação 4, adaptado para fazer a recompressão de uma parte substancial da descarga vinda das referidas turbinas e de um motor primário independente, em que a referida parte é misturada, opcionalmente, à pressão adequada com a descarga vinda do referido motor primário para ser fornecida ao referido túnel quase adiabático para alimentar as referidas turbinas, e ainda em que a deficiência no fluxo de massa para a referida energia é compensada pela queima adicional de um combustível com uma química consistente com um oxidante à pressão referida no referido túnel para também se misturar com a referida descarga recomprimida no referido túnel para se expandir para dentro das referidas turbinas.
43. 43. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, adaptado para activar selectivamente as reacções químicas de equilíbrio e não equilíbrio, em que o fluxo advém de um gás combustível e em que a sua componente de hidrogénio converte-se maioritariamente em vapor, quando queimada com qualquer oxidante na combustão do referido motor, e depois o referido fluxo continua para jusante através de duas ou 15 mais condutas adiabáticas interligadas em série para bombardear e transferir calor para reagir com a matéria prima carbonosa injectada selectivamente para dentro de um ou mais locais nas referidas condutas que estão selectivamente intervaladas com bicos para acelerar provisoriamente, os fluxos subsónicos e desacelerar os fluxos supersónicos interrompidos por choques subsónicos em cascata, e ainda em que as referidas condutas têm contornos para se conformarem a e estarem interconectadas com os referidos bicos.
44. 44. Processo de acordo com a reivindicação 1, compreendendo ainda o passo de direccionar vapor de alta pressão subsónico ou supersónico ou um fluxo de jacto complementado com vapor para activar selectivamente as reacções químicas de equilíbrio e/ou não equilíbrio a jusante do referido jacto através de duas ou mais condutas adiabáticas interconectadas em série, em que o referido fluxo continua para realizar a pirólise e transferir calor à matéria prima carbonosa reactiva injectada selectivamente num ou mais locais para dentro das referidas condutas que estão intervaladas com bicos para acelerar os fluxos subsónicos e/ou desacelerar os fluxos supersónicos interrompidos por choques subsónicos.
45. 45. Processo de acordo com a reivindicação 44, em que o referido vapor é produzido numa caldeira que é a fonte de pressão principal ou de primeiro andar para o fluxo vindo do referido jacto.
46. 46. Processo de accionamento de um motor de foguetão de acordo com a reivindicação 2, para a produção de olefinas e 16 diolefinas, principalmente etileno e acetileno, em que vapor, fornecido para a pirólise ou o cracking térmico de uma extensa gama de hidrocarbonetos, incluindo metano, etano, gases de petróleo liquefeitos, fracções de petróleo, carvão de gás de petróleo e carvão, é sequencialmente reciclado como condensado depois da separação das referidas olefinas através da sua bombagem para dentro da combustão do referido motor, em que o referido condensado torna-se em vapor através da comutação directa de calor com os produtos da combustão no referido motor em preparação para e desde que os referidos produtos sejam compatíveis com a referida pirólise.
47. 47. Processo de acordo com a reivindicação 46 ou 2, em que uma mistura rica em combustível é queimada na combustão do referido motor a fim de proporcionar uma função de propulsão e/ou de aquecimento pela introdução de um oxidante para completar a combustão da referida mistura.
48. 48. Processo de acordo com a reivindicação 46 ou 2 em que a referida mistura mútua é potenciada pelo fluxo transónico através do fornecimento de choques garrafa e/ou um ou mais choques normais focalizados nas referidas secções das condutas.
49. 49. Processo de acordo com a reivindicação 46, 47 ou 2, em que os referidos fluxos ocorrem a velocidades subsónicos muito elevadas.
50. 50. Processo de acordo com a reivindicação 46 ou 2 em que as camadas limítrofes são dispersas pela aplicação adequada da injecção de vapor através de perfurações, ranhuras na 17 parede da referida conduta, ou através das paredes da conduta fabricadas com meios porosos.
51. 51. Processo de acordo com a reivindicação 44, em que o combustível para o motor que alimenta o referido fluxo de jacto é hidrogénio queimado com oxigénio, em que o referido hidrogénio é fornecido por uma fonte de energia de motor de foguetão de primeiro andar e um reactor de energia conservada separado que converte a matéria carbonosa e o vapor via a reacção de conversão de água-gás.
52. 52. Processo de motor de acordo com a reivindicação 1, em que os produtos da combustão são controlados por meios adequados para alcançar o estado estacionário substancialmente na forma de (CO2+2H2O) + x(C02+2H20) em que o primeiro termo refere-se, finalmente, à queima estoiquiométrica com oxigénio, enquanto o termo x complementar é o diluente que estabelece a referida temperatura predeterminada da referida massa de gás.
53. 53. Processo de acordo com a reivindicação 52, em que os produtos do referido primeiro termo (C02+2H20) que são continuamente descarregados pelo processo, são sujeitos à condensação da parte 2H20 a fim de separar a parte de C02 para ser sequestrada através de meios adequados.
54. 54. Processo de acordo com a reivindicação 52, em que uma turbina a gás alimentada com produtos que libertam ar da combustão na forma de (C02+2H20+7, 52N2) + Y (C02+2H20+7, 52N2) , é modificada para funcionar com oxigénio para eliminar o termo de azoto para obter um conteúdo térmico específico da 18 massa resultante dos seus produtos de combustão superior àquela com ar para a mesma energia.
55. 55. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que os fluxos das linhas de ramificação para dentro do referido túnel são alimentados e comprimidos de uma maneira independente, em que quaisquer perdas de carga por fricção nas referidas linhas de ramificação convertem-se em calor útil nos referidos fluxos que são fornecidos para a mistura mútua com os produtos da referida combustão, contribuindo assim para a entalpia para a referida energia.
56. 56. Processo de acordo com a reivindicação 29, em que a descarga vinda das referidas turbinas é disposta para transferir, em primeiro lugar, uma quantidade substancial do seu calor para qualquer um ou mais dos referidos fluxos das linhas de ramificação da referida descarga assim arrefecidas, depois da referida compressão, e, depois, reencaminhada para se misturar com os mesmos referidos fluxos conforme arrefecidos antes da referida compressão.
57. 57. Processo de acordo com a reivindicação 55, em que o referido combustível conforme fornecido às referidas turbinas não é queimado ou é apenas parcialmente queimado de modo a ser descarregado das referidas turbinas, sendo um conteúdo de combustível remanescente queimado na reciclagem selectivamente numa ou mais reacções de combustão.
58. 58. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que o referido processo alimentado por um jacto está adaptado para produzir olefinas e diolefinas, principalmente do etileno e acetileno, em que vapor é aplicado para a pirólise ou o 19 processo de cracking térmico de um ou mais hidrocarbonetos e em que o referido motor é alimentado com hidrogénio e oxigénio produzindo assim as necessidades de vapor para o referido processo de cracking.
59. 59. Processo de acordo com a reivindicação 58, em que o referido um ou mais hidrocarbonetos é seleccionado do grupo consistindo em metano, etano, gases de petróleo liquefeitos, fracções de petróleo, carvão de gás de petróleo e carvão.
60. 60· Processo de acordo com a reivindicação 59, compreendendo ainda os passos de: a. proporcionar, pelo menos, um segundo sistema disposto em paralelo compreendendo um segundo compressor, uma segunda câmara de combustão e um segundo túnel adiabático tendo entradas de linhas ramificadas; b. fornecer, selectivamente, um oxidante e, pelo menos, um de entre uma segunda matéria prima e/ou combustível e a uma pressão inferior à referida segunda câmara de combustão e o referido segundo túnel via as respectivas linhas de ramificação a pressões compatíveis para uma segunda reacção de combustão a ser operada em paralelo com a primeira referida reacção de combustão; c. criar a referida segunda reacção de combustão a uma temperatura elevada e uma pressão diferente da da referida reacção de combustão, em que cada uma é optimizada, respectivamente, para a produção de hidrogénio e etileno; 20 d. fornecer os produtos da reacção de combustão da referida segunda reacção de combustão através do referido segundo túnel adiabático; e. formar uma massa predeterminada de gás a uma temperatura e pressão predeterminadas no referido segundo túnel para, pelo menos, uma utilização final seleccionada para a produção de energia ou de químicas; f. proporcionar, pelo menos, uma segunda descarga vinda do referido segundo sistema; g. recuperar a referida segunda descarga e/ou o conteúdo calorífico da referida segunda descarga através da recompressão da referida segunda descarga no referido segundo compressor como parte de um segundo fluxo de gás; e h. reciclar e co-misturar cada um dos referidos fluxos de gás e os produtos da reacção de combustão de cada uma das referidas reacções de combustão em câmara de combustão e nos referidos túneis adiabáticos.
61. 61. Processo de acordo com a reivindicação 60, em que as reacções de combustão e de reformação ocorrem num fluxo de retro-mistura principalmente dentro da câmara de combustão e uma secção de bico da referida câmara de combustão.
62. 62. Processo de acordo com a reivindicação 60, em que as reacções da pirólise ocorrem num fluxo de retro-mistura principalmente dentro da câmara de combustão e uma secção de bico da referida câmara de combustão.
63. 63. Processo de acordo com a reivindicação 60, em que as reacções de combustão e de reformagem ocorrem 21 principalmente dentro do referido túnel aquando da mistura com os produtos das referidas reacções de combustão.
64. 64. Processo de acordo com a reivindicação 60, em que as reacções de pirólise ocorrem principalmente dentro do referido túnel aquando da mistura com os produtos das referidas reacções de combustão.
65. 65. Processo de acordo com a reivindicação 60, em que as reacções de pirólise ocorrem a temperaturas acima dos 2000 F de modo a minimizar e decompor substancialmente as moléculas relativamente estáveis pesadas, ciclicas, cíclicas polinucleares, aromáticas e insaturadas compreendendo óleos e alcatrão e carvão de gás normalmente encontrados em reactores de pirólise de temperatura mais baixas.
66. 66. Processo de acordo com a reivindicação 60, em que as reacções de reformação de vapor ocorrem para produzir hidrogénio a temperaturas acima dos 2000 F de modo a minimizar e decompor substancialmente uma matéria prima que tenha moléculas relativamente estáveis pesadas, cíclicas, ciclicas polinucleares, aromáticas e insaturadas compreendendo óleos e alcatrão e carvão de gás normalmente produzidos por pirólise.
67. 67. Processo de acordo com a reivindicação 65 ou 66, em que uma parte dos gases de escape e dos produtos da pirólise normalmente submetidos a um processo de cracking são reformados com vapor para produzir hidrogénio que é fornecido em proporções por estoiquiométricas ou em excesso estoquiométrico ao processo de modo a reciclar até à 22 extinção estes produtos da pirólise normalmente olefinicos, aromáticos, refractários e não recicláveis.
68. 68. Processo de acordo com a reivindicação 66, em que qualquer produto da pirólise é reciclado para proporcionar uma grande flexibilidade de escolha de produtos a serem fabricados a partir dos produtos de alimentação de hidrocarbonetos disponíveis.
69. 69. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que os produtos da combustão são controlados através de meios adequados para alcançar o estado estacionário substancialmente na forma de (C02+2H20) + xC02 + yH20, onde x e y estão, cada um, entre 0 e 100, inclusive, mas não são concorrentemente 0, em que o primeiro termo se refere, finalmente, à queima estoquiométrica com oxigénio enquanto que os termos complementares x e y, a par de quaisquer materiais inertes opcionais, constituem o diluente que estabelece a temperatura predeterminada da referida massa de gás. Lisboa, 27 de Novembro de 2007 23