PT2178630E - Sistema de reator de leito fluidizado - Google Patents

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PT2178630E
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Tobias Proell
Philipp Kolbitsch
Johannes Bolhar-Nordenkampf
Hermann Hofbauer
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Univ Wien Tech
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Description

ΕΡ 2 178 630/ΡΤ DESCRIÇÃO "Sistema de reator de leito fluidizado" 0 presente invento refere-se ao domínio dos sistemas de reator gás-sólido, especialmente de leitos fluidizados circulantes.
Os reatores gás-sólido são utilizados para produzir sólidos ou partes destes que participam diretamente numa transformação química, quer como reagente, quer como catalisador quer como portador de calor. Os sistemas de reator gás-sólido compreendendo duas zonas de reação separadas permitem separações em duas câmaras reacionais de gás separadas que estão apenas ligadas pela corrente de sólidos, com o que as correntes gasosas podem ser essencialmente evitadas de serem misturadas. Tais montagens foram já utilizadas com sucesso em vários domínios, tais como para o craqueamento catalítico no domínio da refinação de óleos minerais, para a transformação termoquímica de combustíveis sólidos em gases combustíveis (por exemplo, para a gasificação ou pirólise de carvão ou biomassa), para a combustão de ciclo químico para separar dióxido de carbono no decurso da combustão de combustíveis carbonáceos (US 2 665 972), para a reformação de ciclo químico para separar dióxido de carbono quando se produz gás de síntese e para ciclo de carbonato para absorver seletivamente CO2 das correntes gasosas ou dos reatores de combustão ou de gaseificação (ΕΡ 1 637 574). 0 sólido circula de uma zona reacional para a outra e para trás novamente para a primeira zona. Várias formas de concretização técnicas de tais reatores são possíveis, em que os tempos de retenção a serem conseguidos e as características fluidodinâmicas dos leitos fluidizados têm que ser adapatados aos problemas existentes. A seguir, as duas zonas reacionais atrás mencionadas serão referidas como dois reatores de leito fluidizado ligados através de uma corrente de sólidos circulantes.
De uma maneira geral, o termo "leito fluidizado circulante" é utilizado para se referir a um reator de leito fluidizado (rápido) que transporta sólidos e inclui um dispositivo para separar sólidos da corrente gasosa que sai 2 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ (tal como um dispositivo centrífugo ou um separador por gravidade) . Uma corrente de gás que sai e uma corrente de sólidos separados são proporcionados. Numa forma de concretização corrente de um leito fluidizado circulante, o sólido é transportado de volta para o reator de leito fluidizado. A quantidade de sólidos descarregados é frequentemente regulada através da distribuição de gás de fluidização introduzido no reator em diferentes sítios ao longo da altura do reator (equalização do gás ou distribuição do gás). A seguir, um "leito fluidizado circulante" será entendido como se referindo a um meio fluidizado em que as partículas são fluidizadas através de um fluido e, após ter separado o fluido, pelo menos parte das partículas é reintroduzida no mesmo ou noutro leito fluidizado. 0 leito fluidizado circulante é preferencialmente um leito fluidizado turbulento ou rápido. 0 termo "leito fluidizado estacionário" descreve um leito fluidizado que forma bolhas, não transporta sólidos e está disposto num reator em que os sólidos têm que ser retirados do leito fluidizado. Acima do leito fluidizado, existe um espaço com gás (placa livre) que é quase isento de sólidos.
De uma maneira geral, sifões fluidizados, canais de ligação flidizados ou mangas fluidizadas e semelhantes são utilizados para vedar os espaços do gás de dois reatores de leito fluidizado um contra o outro. Estes elementos de ligação ou de vedação são, preferencialmente, fluidizados através de fluidos que não interferem fortemente com nenhum dos reatores de leito fluidizado. 0 vapor de água será um exemplo de um tal fluido que pode ser utilizado para numerosas aplicações.
Os sistemas de reator em que um leito fluidizado estacionário está envolvido na reintrodução dos sólidos num leito fluidizado circulante corrente são já conhecidos (AT 405937 B; JP 2000/192056; Lyngfelt et al., Chemical Engineering Science 56 (2001), 3101-3113; EP 1,637,574).
Lyngfelt et al., por exemplo, descrevem um sistema 3 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ consistindo de uma reator de ar e um reator de combustível, entre os quais um óxido metal/metal é permutado em ciclos. No reator de ar, é formado um óxido metálico por oxidação do material do leito, sendo o referido óxido metálico reconvertido na sua forma reduzida por oxidação do combustível (tal como um hidrocarboneto gasoso) no reator de combustível. Na reação global, o combustível é queimado com o ar. Os gases de exaustão que resultam desta reação não se misturam devido à separação dos dois reatores gasosos. Deste modo, por um lado, azoto contendo oxigénio residual (reator de ar) e, por outro lado, uma mistura de CCq-ar (reator de combustível) são obtidos separadamente. Devido aos caudais do fluxo do gás, um leito fluidizado circulante é utilizado no reator de ar e um leito fluidizado estacionário é utilizado no reator de combustível.
Tais montagens, em que um leito fluidizado estacionário está envolvido na reintrodução dos sólidos num leito fluidizado circulante corrente, permite uma operação robusta sem excessiva tensão das partículas, dado que a parte principal do sólido está localizada no leito fluidizado estacionário e as partículas passam no ciclone apenas uma vez no decurso de um ciclo completo. Devido à implementação de um dos dois reatores como leito fluidizado estacionário, a utilização de tais sistemas é, contudo, limitada no caso de instalações de elevada capacidade, porque a secção do reator requerida na área do leito fluidizado estacionário tem que ser muito grande. Se o procedimento tem como objetivo converter grandemente o gás de fluidização em contacto com o sólido, o leito fluidizado estacionário tem a desvantagem adicional de haver apenas um fraco contacto entre o gás e o sólido na fase de bolha e de a concentração de sólido ser apenas baixa na placa livre acima do leito fluidizado estacionário. Deste modo existe um risco de perda da carga por reagir ou do gás de fluidização. 0 documento DE 19 808 439 Cl (US 6.290.775) descreve a ligação de dois leitos fluidizados estacionários através de um rebordo para as partículas sólidas, incluindo os referidos leitos fluidizados estacionários uma tampa no espaço do gás de modo a evitar que os gases nos espaços de gás se misturem. 4 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
Os sistemas de reator consistindo de dois ou mais leitos fluidizados circulantes ligados são também conhecidos. 0 objetivo de algumas destas aplicações consiste no tratamento do sólido, sendo o referido tratamento implementado através de um principio de estágio, passando o sólido através de um reator após do outro sem uma recirculação do sólido no primeiro reator (WO 98/30497, KR 2003 0020114). Noutras aplicações conhecidas, os ciclos de sólido são implementados na forma de dois sitemas de leito fluidizado circulante ligados. Nestes sistemas, o sólido descarregado, que é subsequentemente separado da corrente gasosa, é enviado para o outro reator de leito fluidizado rápido (US 6.083.862 Bl) ou é enviado através de dispositivos adequados para dividir as correntes de sólidos no separador centrífugo ou de gravidade proporcionalmente para o mesmo ou outro reator de leito fluidizado rápido. É possível transportar material para o outro reator quer após um separador de partículas quer através da descarga de partículas na parte inferior do reator através de um dispositivo de transporte pneumático (GB 1 524 345). Tais sistemas não apresentam o problema de esfoliação para equipamentos utilizando um leito fluidizado estacionário e o contacto entre o gás e o sólido é estabelecido ao longo de toda a altura do reator em reatores de leito fluidizado. A utilização conhecida de dois reatores de leito fluidizados rápidos requer um controlo de regulação da localização do sólido dentro do sistema e, adicionalmente, o sólido tem que ser descarregado e separado pelo menos duas vezes no decurso de um ciclo, colocando as partículas sob alta tensão mecânica. O presente invento tem como objetivo ultrapassar as desvantagens dos sistemas conhecidos e, especialmente, proporcionar um sistema de reator de leito fluidizado consistindo de, pelo menos, dois reatores de leito fluidizado circulante em que o transporte do sólido dos reatores individuais pode ser ajustado independentemente. Deste modo, o contacto entre o gás e o sólido pode ser otimizado em todos os reatores de leito fluidizado envolvidos e, ao mesmo tempo, o procedimento pode ser otimizado para se tornar uma operação robusta sem provocar excessiva tensão nas partículas e ainda assim ter uma elevada taxa de ciclização do sólido. Estas vantagens têm efeitos positivos, especialmente quando se 5 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ aumenta a escala dos processos atrás mencionados que, tal como é sabido, são implementados sob a forma de combinações de um leito fluidizado circulante e um leito fluidizado estacionário, porque o leito fluidizado estacionário não é requerido e pode ser substituído por outro leito fluidizado circulante.
Deste modo, o presente invento refere-se a um sistema de reator de leito fluidizado consistindo de, pelo menos, dois reatores de leito fluidizado compreendendo, pelo menos, um reator principal na forma de um leito fluidizado circulante e um reator secundário na forma de um leito fluidizado circulante, constituindo os referidos reatores dois espaços cheios de qás separados para realizar reações químicas e estando liqados um ao outro através de uma corrente de sólidos circulantes, assim como uma linha de partículas compreendendo um separador de partículas e servindo para transportar partículas de leito fluidizado do reator principal para o reator secundário. 0 presente invento é caracterizado por o reator principal e o reator secundário estarem hidraulicamente ligados através de uma linha de partículas fludizadas nas suas metades inferiores. Particularmente, a linha do reator secundário para o reator primário liga estes reatores nos seus terços ou quartos inferiores, preferencialmente abaixo do nível de enchimento dos leitos de sólidos no sistema de reator após parar a fluidização.
Nas formas de concretização específicas do sistema do presente invento, a linha liga as partes inferiores dos dois reatores. "Superior" e "inferior" devem ser entendidos em relação à gravidade ou à direção do fluxo do fluido que flui (ou fluido/gás reacional ou portador), dado que o fluido atua contra a gravidade mantendo as partículas no leito fluidizado. Em formas de concretização específicas, dispositivos mecânicos adicionais (tais como abas ou chapas) são proporcionados de forma a afetar a resistência ao fluxo na linha de partículas para transportar as partículas de leito fluidizado do reator principal para o reator secundário. 6 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
De uma maneira geral, o presente invento é um sistema de reator consistindo de, pelo menos, dois leitos fluidizados rápidos comunicantes em dois reatores com uma nova maneira de direcionar a corrente de sólido circulante, o que conduz a resultados otimizados nas reações químicas devido à elevada quantidade de partículas e ao longo tempo de residência do gás nas zonas reacionais. Ao mesmo tempo, o sistema proporciona uma boa regulação da distribuição das partículas dentro do sistema.
Outras vantagens do sistema do presente invento são, por exemplo, as de que a fluidização do segundo reator (reator secundário) ou outros reatores opcionais podem ser adaptados de maneira ótima aos requisitos da reação sem afetar a circulação global dos sólidos; de que a localização do sólido no sistema é estável e não tem que ser constantemente monitorizada e regulada; de que a circulação global dos sólidos pode ser simplesmente ajustada distribuindo o fluido ou gás de fluidização ao longo da altura do reator de transporte das partículas (reator principal); e a de que o desenho daqueles reatores que não são responsáveis pelo transporte global das partículas (ou seja, o reator secundário e outros reatores opcionais) pode ser otimizado de modo a proporcionar uma baixa tensão mecânica nas partículas. 0 presente invento refere-se especialmente a um sistema de reatores com leitos fluidizados, em que o reator principal e o reator secundário estão em contacto hidráulico um com o outro, sendo o referido contacto estabelecido através de uma ligação fluidizada (que é fluidizada com um gás inerte, por exemplo, para vedar os espaços do gás dos dois reatores e pode, por exemplo, ser desenhada com a forma de um sifão, uma ligação em manga ou uma conduta de ligação) o que significa que os leitos fluidizados ou os níveis de enchimento, respetivamente, do reator principal e do reator secundário podem ser equilibrados. As partículas são, preferencialmente, partículas sólidas e/ou o fluido introduzido é preferencialmente um gás, especialmente um que seja adequado para a fluidização de partículas num leito fluidizado (por exemplo, um leito fluidizado turbulento ou rápido). 7 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
Alternativamente, as partículas do reator secundário podem ser reintroduzidas no reator principal ou, quando é utilizado um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas, parcialmente para o reator secundário e parcialmente para o reator principal. Deste modo, uma forma de concretização preferida refere-se a um sistema de acordo com o presente invento que é caracterizado por a linha de partículas, que serve para transportar partículas do leito fluidizado do reator principal para o reator secundário e compreende um separador de partículas, dirige também uma parte da corrente de partículas diretamente de volta para o reator principal, utilizando um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas. Em formas de concretização preferidas, o reator secundário tem um ciclo de retorno de partículas que dirige as partículas do leito fluidizado do reator secundário de volta para qualquer um dos reatores de leito fluidizado ou, quando é utilizado um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas, de volta para diferentes reatores de leito fluidizado. 0 ciclo de retorno de partículas do reator secundário compreende canais ou linhas que são proporcionados independentemente do reator, por exemplo, após os separadores de partículas (tais como separadores centrífugos ou de gravidade) e voltam para o reator (reator principal ou secundário). Preferencialmente, a linha de ligação na área inferior dos reatores para transportar as partículas do leito fluidizado do reator secundário para o reator principal é independentemente proporcionado a partir do ciclo de retorno de partículas do reator secundário.
Deste modo, a corrente de partículas circulante global é descarregada do reator principal, separada da corrente de fluido e dirigida para o reator secundário através de um dispositivo de vedação opcional, sendo as partículas dirigidas desde o reator secundário de volta para o reator principal através da linha nas áreas inferiores dos reatores, embora as partículas que podem ser descarregadas do reator secundário serem dirigidas, após terem sido separadas da corrente de fluido, de volta para o reator secundário (ou inteiramente ou parcialmente para o reator principal). É também possível que parte da corrente de partículas do reator 8 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ principal para ο reator secundário é dirigido de volta para o reator principal através de um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas.
Um ou mais reatores de leito fluidizado que são similares ao reator secundário podem ser adicionados ao sistema de reator, estando os referidos um ou mais reatores de leito fluidizado em contacto hidráulico com o reator principal e/ou secundário através de uma ligação implementada adequadamente e, após terem sido separadas da corrente principal, as partículas circulantes do reator principal podem ser introduzidas quer num dos reatores secundários quer, através de um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas, em diferentes reatores secundários. É também possível proporcionar vários reatores secundários que são ligados em paralelo através de elementos de divisão da corrente e de ligação da recolha da corrente.
Alternativamente ou adicionalmente, um ou mais reatores de leito fluidizado podem ser ligados ao sistema consistindo de reatores principais e secundários, de forma que o reator secundário funcione como reator principal para este/estes outro/outros reator/reatores. Isto significa que o ciclo de retorno do reator secundário (primário) conduz a um outro reator secundário. A partir do(s) reator(es) adicional(is), as partículas são recicladas para o reator secundário prévio, para outro reator secundário ou para o reator principal, por exemplo através de uma linha de ligação na área inferior dos reatores relevantes, tal como aqui descrito, para o reator principal e o reator secundário (primário). Em formas de concretização específicas, dispositivos mecânicos adicionais (tais como abas ou chapas) são proporcionados para afetarem a resistência do fluxo na linha de partículas para transportar partículas de leito fluidizado do reator secundário adicional para o reator secundário primário ou entre o reator secundário adicional e o reator principal. De acordo com esta forma de concretização, cada reator secundário compreende uma linha de partículas que dirige todas as partículas do leito fluidizado do reator secundário ou, pelo menos, parte destas para um outro reator secundário. 9 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
Numa forma de concretização específica, os outros reatores secundários podem ser ligados à linha do reator principal ao reator secundário principal (que está ligado ao reator principal na sua área inferior) entre estes dois reatores. De acordo com este exemplo, a linha de partículas atrás descrita vai desde o reator principal através de um ou mais reatores secundários para o reator secundário (primário).
Em tais sistemas com reatores secundários adicionais, existe quer uma linha de partículas a partir de, pelo menos, um reator secundário para um outro reator secundário quer a linha de partículas a partir do reator principal para o reator secundário conduz adicionalmente pelo menos parcialmente a um/outros reator(es) secundário(s), sendo também possível as suas combinações. Além disso, o ciclo de retorno das partículas do reator secundário ou a linha de partículas a partir do reator principal para o reator secundário pode compreender um divisor da corrente de partículas que compreenda preferencialmente um elemento de vedação de gás, sendo particularmente preferido um sifão, particularmente preferido com fluidização com gás inerte a ocorrer.
No reator principal e no(s) reator(es) secundário(s), são proporcionadas entradas de fluido (portador), preferencialmente as entradas de gás (tais como ponteiras, lanças de gás ou semelhantes), para formar os leitos fluidizados. Devido ao acoplamento dos reatores de acordo com o presente invento, os caudais do gás para os dois reatores pode ser selecionado independentemente e adaptado otimamente aos requisitos técnicos da reação. Particularmente, a circulação das partículas no reator secundário pode ser ajustada independentemente do ciclo de partículas principal (do reator secundário através do(s) reator(es) secundário(s) de volta para o reator principal), dado que é possível reciclar partículas para o reator principal independentemente da circulação de partículas para os reatores secundários através da linha na área inferior dos reatores. Dado que os leitos fluidizados se esforçam por ter os mesmos "níveis de enchimento imaginários" (ou seja, as mesmas perdas de pressão de gás determinadas pelo teor de partículas), uma agregação 10 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ das partículas num dos dois reatores pode ser evitada.
No reator principal e no(s) reator(es) secundário(s), são proporcionadas entradas de fluido, preferencialmente entradas de gás, para formar os leitos fluidizados. É particularmente preferido que o reator principal e/ou o reator secundário tenham várias entradas de fluido, preferencialmente entradas de gás, que são distribuídas ou estão separadas umas das outras ao longo da altura do respetico reator ou estão dispostas em fileiras em vários planos ao longo da altura do reator. Um fluido, preferencialmente gás, entra nos reatores através destas entradas, por exemplo como reagente ou gás inerte, para transportar as partículas, mas principalmente para formar os leitos fluidizados. 0 ciclo de retorno das partículas do reator secundário conduz preferencialmente ao referido reator secundário abaixo da entrada da linha de partículas para transportar partículas de leito fluidizado do reator principal para o reator secundário. É particularmente preferido que a linha de partículas para transportar partículas de leito fluidizado do reator principal para o reator secundário entre no reator secundário acima da linha para transportar partículas do leito fluidizado do reator secundário para o reator principal. É especialmente preferido que a linha para transportar as partículas de leito fluidizado do reator secundário entre no reator principal na área inferior do reator principal, preferencialmente na sua metade inferior, terço inferior, ou quarto inferior. No que respeita às entradas de fluido, é preferido que a linha para transportar partículas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal entre no reator principal o mais próximo possível da parte inferior mas acima da entrada mais baixa de fluido. Em formas de concretização específicas, esta entrada de fluido mais baixa do reator principal pode ser substituída realizando a fluidização na área da linha de ligação. Similarmente, isto é verdade para o reator secundário: É preferido que a linha para transportar partículas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal saia da metade inferior, preferencialmente do terço inferior ou do quarto inferior do reator secundário. No que se refere às 11 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ entradas de fluido é preferido que a linha para transportar as partículas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal saia do reator secundário tão próximo do fundo quanto possível, mas acima da entrada de fluido mais baixa. Em formas de concretização específicas, esta entrada de fluido mais baixa no reator secundário pode ser substituída realizando a fluidização na área da linha de ligação. 0 ciclo de retorno das partículas do reator secundário pode compreender, independentemente, um separador de partículas (tal como um separador por gravidade ou centrífugo), preferencialmente um ciclone. A linha de partículas do reator principal para o reator secundário pode também compreender um separador de partículas (tal como um separador por gravidade ou centrífugo), preferencialmente um ciclone.
Numa forma de concretização, a linha para transportar partículas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal compreende, adicionalmente, um elemento de vedação do gás, preferencialmente um sifão. Analogamente, a linha de partículas do reator principal para o reator secundário e o ciclo de retorno de partículas do reator secundário pode compreender um elemento de vedação do gás, preferencialmente um sifão. Os elementos de vedação de gás podem, independentemente, compreender uma entrada de gás inerte, especialmente para fluidizar as partículas ou para bloquear o fluxo do gás no reator através do elemento de vedação. Geralmente, os elementos de barreia do gás ou os elementos de vedação servem o fim de evitar qualquer fluxo de gás ou permuta de gás entre os reatores.
Além disso, é preferido que a fluidização das partículas utilizando um gás inerte para manter a corrente de partículas pelo menos parcialmente fluidizadas ocorra na linha para transportar partículas de leito fluidizado para o reator principal. Especialmente se as partículas forem dirigidas para cima no reator principal, as partículas podem ser mantidas movendo-se deste modo. Alternativamente ou adicionalmente, a corrente de partículas pode ser dirigida (pelo menos parcialmente) numa manga ou para baixo num canal, 12 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ por exemplo. É também preferido que a fluidização das partículas utilizando um gás inerte ocorra na linha de partículas do reator principal para o reator secundário e/ou no ciclo de retorno de partículas do reator secundário. Aqui, um gás inerte deve ser entendido como um gás que não afeta negativamente os processos em qualquer um dos dois reatores. No caso dos procedimentos de conversão termoquímica tais como os processos de ciclo químico, o vapor de água será um exemplo de tal gás.
Nas formas de concretização preferidas com vários reatores, o ciclo de retorno de partículas do reator secundário compreende um divisor da corrente de partículas e/ou o ciclo de retorno de partículas do reator principal compreende um divisor da corrente de partículas, compreendendo o referido divisor, preferencialmente, um elemento de vedação de gás, sedo particularmente preferido um sifão, particularmente preferido com uma entrada de gás inerte. Através de um ou mais divisores de corrente de partículas, é possível ligar outros reatores ao sistema, quer em série quer em paralelo.
Um reator de leito fluidizado adicional tal como um reator de leito fluidizado estacionário, que compreende preferencialmente um permutador de calor ("permutador de calor de leito fluidizado") pode ser introduzido na corrente de partículas, por exemplo, na área da corrente de partículas do reator principal para o reator secundário, com o que apenas parte da corrente de partículas pode ser direcionada através deste reator de leito fluidizado adicional, opcionalmente utilizando um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas. Em formas de concretização específicas, o ciclo de retorno de partículas do reator principal para o reator secundário e/ou a linha de transporte de partículas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal e/ou a linha de transporte de partículas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal compreende um permutador de calor, preferencialmente um leito fluidizado estacionário. Ao utilizar um dispositivo para dividir a corrente de partículas, os tais reatores de leito fluidizado adicionais ao longo da corrente de partículas podem ser feitos passar com apenas uma parte da corrente de 13 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ partículas presente na localização respetiva. 0 remanescente da corrente de partículas faz um "bypass" ao permutador de calor do leito fluidizado ou é direcionado para o reator principal ou um dos reatores secundários através de um caminho diferente. 0 presente invento refere-se ainda a um método para transportar partículas através de um sistema de reator de leito fluidizado, em que as partículas, especialmente as partículas sólidas, são dirigidas através de um leito fluidizado para o reator principal e através de um leito fluidizado para o reator secundário e em que, pelo menos, parte delas é transportada do reator secundário através de uma linha nas áreas inferiores dos reatores respetivos no reator principal. A quantidade de fluido que flui nas entradas de fluido do reator secundário é, preferencialmente, selecionado independentemente da quantidade de fluido que flui nas entradas de fluido do reator principal. A corrente de partículas global do reator principal para o reator secundário e de volta para o reator principal é fortemente afetada pela quantidade de fluido que flui nas entradas de fluido do reator principal, ou seja, pelo transporte de partículas no reator principal.
Por outro lado, a corrente de partículas global é grandemente independente da quantidade de fluido que flui nas entradas de fluido do reator secundário. Este comportamento do sistema do presente invento é confirmado pelos resultados experimentais.
No método de acordo com o presente invento, a quantidade de partículas descarregadas dos reatores de leito fluidizado circulante (reatores principal e secundário) pode aumentar com o aumento da quantidade global de fluido que flui nas respetivas entradas de fluido. 0 método do presente invento é preferencialmente caracterizado por as quantidades de partículas deacarregadas do reator principal e do(s) reator(es) secundário(s) aumentarem quando os caudais mássicos de fluido forem desviados para as entradas de fluido inferiores e serem reduzidos quando os caudais mássicos de fluido forem desviados para as entradas de fluido superiores. 14 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
No método de acordo com o presente invento, as quantidades de partículas descarregadas dos reatores de leito fluidizado circulante (reatores principal e secundário) podem aumentar com uma quantidade crescente de partículas no sistema de leito fluidizado. Além disso, o método é preferencialmente caracterizado pelo facto de as quantidades de partículas descarregadas dos reatores de leito fluidizado circulante (reatores principal e secundário) aumentarem com a diminuição da dimensão do grão das partículas do sistema de leito fluidizado.
Devido a razões hidrostáticas, a aplicação de uma diferença de pressão entre as saídas de gás dos dois reatores de leito fluidizado que estão ligadas nas suas áreas inferiores através de uma linha de ligação para transportar partículas de leito fluidizado (tal como um reator principal e um reator secundário) pode provocar um desvio das partículas para o reator em que é aplicada a pressão inferior. Isto conduz a uma diminuição da quantidade de partículas descarregadas do reator em que é aplicada a pressão inferior, enquanto que, ao mesmo tempo, a quantidade de partículas descarregadas do reator a que é aplicada a pressão superior aumenta. Tais diferenças de pressão aplicadas adicionalmente entre as saídas de gás dos reatores de leito fluidizado são, preferencialmente, da mesma ordem de grandeza que as perdas de pressão provocadas pelas partículas de leito fluidizado nos reatores envolvidos e são particularmente preferidas inferiores às perdas de pressão provocadas pelas partículas de leito fluidizado nos reatores envolvidos. 0 método de acordo com o presente invento torna possível afetar a circulação de partículas global entre o reator principal e o reator secundário através de uma alteração da resistência do fluxo na linha de transporte de sistemas de leito fluidizado do reator secundário para o reator principal. Um aumento da resistência do fluxo conduz à redução da circulação das partículas. Similarmente, isto é também verdade para a circulação de partículas a partir do reator secundário para um outro reator secundário, se o referido outro reator secundário estiver presente numa forma de concretização específica do sistema de leito fluidizado. 15 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
Numa linha de partículas ou num elemento de vedação de gás (tal como um sifão) proporcionado numa linha de partículas, a resistência de fluxo é, preferencialmente, influenciada por uma alteração do estado de fluidização da referida linha de partículas ou do elemento de vedação do gás. Em formas de concretização específicas do sistema de acordo com o presente invento, são proporcionados dispositivos mecânicos adicionais (tais como abas ou chapas) para afetar a resistência do fluxo na linha de partículas.
Domínios específicos de aplicação para o sistema de reator descrito são domínios de tecnologia química e tecnologia da energia. 0 sistema de reator é particularmente adequado para aplicações em que uma grande circulação global de partículas ou de sólidos é combinada com um contacto intensivo entre o gás e as partículas em mais de uma zona reacional.
Dado que a circulação de partículas global é independente da condição de fluidização do reator secundário, é possível otimizar a conversão do gás no reator secundário.
Isto é especialmente vantajoso para o método de ciclo químico para a separação quantitativa de carbono inerente no decurso da combustão de combustíveis carbonáceos, por exemplo. Este método, que é objeto de discussões internacionais, é considerado como tecnologia chave para a separação de carbono em processos de combustão. Neste método, são utilizados óxidos metálicos como sólido de circulante e permite-se o transporte do oxigénio de um reator (reator de ar) para outro reator (reator de combustível) através de redução e oxidação repetidos. A vantagem do método é a de que o gás de exaustão do reator de combustível consiste apenas de CO2 e H2O se o nível de gás de conversão for suficientemente elevado, estando o CO2 presente numa forma pura após a condensação da água. Em comparação com a combustão direta do combustível, não é necessário aplicação adicional de energia. 0 presente invento pode ser diretamente utilizado neste método, para fábricas de qualquer capacidade, mas especialmente para processos de larga escala em centrais de energia. 0 presente invento permite uma operação robusta da instalação com um contacto otimizado entre o gás e as 16 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ partículas nos dois reatores.
Ao utilizar o sistema do presente invento, o desempenho em procedimentos de conversão termoquímicos (tais como pirólise e gaseificação) de combustíveis sólidos (tais como carvão e biomassa) pode ser melhorado em comparação com procedimentos conhecidos. Um contacto mais intensivo das partículas de leito fluidizado cataliticamente ativas com o gás no reator de produção de gás (que corresponde ao reator secundário e, na maior parte dos casos, é fluidizado utilizando vapor de água e/ou gás de produto reciclado) torna possível decompor largamente os hidratos de carbono mais pesados (tais como os alcatrões), que são sobretudo indesejados em processos subsequentes. Ao mesmo tempo, a utilização de energia desejada do reator de combustão que corresponde ao reator principal, na maior parte dos casos, é fluidizado através de gás) pode ser ajustada independentemente das condições fluxo no reator de produção de gás ajustando a quantidade de gás que flui nas entradas de gás do reator de combustão e a quantidade de partículas circulantes que fluem do reator de combustão para o reator de produção de gás dependendo da quantidade que entra de gás. 0 presente invento pode ser ainda aplicado no domínio da absorção seletiva de componentes da corrente gasosa utilizando um sólido reativo (tal como um ciclo de carbonato para a separação de CO2 dos gases de exaustão de combustão). Neste caso, um bom contacto entre o gás e as partículas e a possibilidade de ajustar a corrente de partículas circulantes são também importantes. 0 presente invento será agora explicado com mais detalhe com referência aos desenhos e exemplos de trabalho, sem estar especificamente limitado a estes.
Desenhos A Fig. 1 mostra um diagrama esquemático de uma forma de concretização do sistema de reator de leito fluidizado com dois reatores. Uma corrente de partículas (17) é transportada de um reator (1) principal (tal como um reator de transporte de sólidos) para um reator (2) secundário utilizando um meio 17 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ de fluidização (um gás reativo ou inerte) . As partículas sólidas são fluidizadas num leito fluidizado no reator principal através de um fluxo de gás através das entradas (3,4) de gás, o que pode, por exemplo, ser realizado sob a forma de válvulas de prato, lanças de gás ou semelhantes e são continuamente descarregados do reator. Num ciclone (12), as partículas são separadas do gás que é evacuado através da saída (7) de gás. As partículas separadas são transportadas para um elemento de vedação impermeável a gás (sifão) (9) com uma entrada (14) de gás inerte. Depois disso, as partículas são transportadas para o reator (2) secundário, em que estas são novamente fluidizadas num leito fluidizado através de uma corrente gasosa (entradas 5 e 6 de gás dispersas que podem, por exemplo, ser sob a forma de válvulas de prato, lanças de gás ou semelhantes). Analogamente ao reator principal, as partículas transportadas pela corrente de gás no reator secundário são transportadas para um separador de sólidos (tal como um ciclone) (13) na parte superior do reator secundário em que o gás do reator secundário é separado da corrente de partículas e descarregado através da saída (8) de gás. As partículas são transportadas de volta para o reator secundário através de um elemento (11) de vedação opcional possuindo uma entrada (16) de gás inerte. Na sua área inferior, o reator secundário tem adicionalmente uma saída para uma linha para ainda transportar mais partículas para o reator principal. A linha compreende adicionalmente um elemento (10) de vedação que serve para vedar os espaços de gás nos reatores principal e secundários fluidizando as partículas usando um gás (15) inerte. Na presente forma de concretização, esta linha está disposta entre as entradas (5,6) dispersas de gás do reator secundário e (3,4) do reator principal. No reator principal ou no reator secundário, as entradas da corrente de partículas estão, preferencialmente, dispostas na área inferior, por exemplo abaixo da superfície imaginária do nível de enchimento das partículas quando se desliga a fluidização, ou no quarto inferior, no terço inferior ou na metade inferior do reator principal ou secundário. A Fig. 2 mostra um diagrama esquemático de uma forma de concretização do sistema de reator de leito fluidizado com dois reatores para instalações de pequena escala. Esta forma 18 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ de concretização é construída analogamente à Fig. 1, com a exceção de a linha de ligação entre o reator secundário e o reator principal estar disposta abaixo das entradas (5,6) de gás do reator secundário e abaixo das entradas (3,4) de gás do reator principal. Adicionalmente, o transporte das partículas pode ser promovido pelas entradas (18,19) do gás para auxiliar a fluidização. A Fig. 3 mostra um diagrama de ligações de um elemento de leito fluidizado estacionário adicional que compreende um permutador de calor e está disposto após um separador de partículas (tal como um ciclone) ou antes, ou dentro de um elemento de vedação de gás (tal como um sifão) . A corrente (17) de partículas fluidizadas é transportada do separador (12) de partículas (um ciclone, por exemplo) ou do elemento (9) de vedação de gás (um sifão, por exemplo) numa área estacionária em que o sólido fluidizado contacta as superfícies (22) de permuta de calor. Um gás de fluidização ou inerte flui no sentido ascendente através da entrada (20) de gás, sendo o referido gás de fluidização ou inerte descarregado através da saída (21) de gás após ter estado em contacto com as partículas, contacto durante o qual podem ocorrer reações químicas. A Fig. 4 mostra um diagrama de ligações de um divisor da corrente de partículas, por exemplo, por vários reatores secundários. A corrente (17) de partículas fluidizadas é, por exemplo, transportada do separador (12) de partículas do reator (1) principal para um divisor (24) da corrente de partículas, tal como um sifão dividido e é transportado do divisor para dois reatores (2,23) através de um meio (25) de fluidização (tal como um gás inerte). Um segundo reator (23) (não mostrado) pode ser implantado do mesmo modo que o reator (2) secundário, mas pode ser também um elemento de leito fluidizado estacionário adicional (tal como um permutador de calor). A Fig. 5 mostra o caudal de transporte de partículas específico (Gs em kg/(m2s)) do reator principal como função da distribuição do meio de fluidização para as entradas inferior (3) e superior (4) de fluido do reator principal de um modelo hidrodinâmico do sistema de leito fluidizado de 19 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ acordo com ο presente invento tal como mostrado na Fig. 2, modelo em que o ar é utilizado como meio de fluidização. Os parâmetros mostrados no diagrama incluem diferentes quantidades globais de meio de fluidização que fluem para o reator principal (25 Nm3/h (29), 30 Nm3/h (30) e 35 Nm3/h (31)), por um lado, e diferentes quantidades de meio de fluidização que fluem para o reator secundário reactor (10 Nm3/h (26), 15 Nm3/h (27), and 20 Nm3/h (28)). Neste caso especifico, o reator secundário é apenas fluidizado através da entrada (5) de fluido inferior. O transporte de partículas no reator principal depende claramente da quantidade global de meio de fluidização que flui para o reator principal e da distribuição do meio de fluidização nas entradas inferior (3) e superior (4) de fluido do reator principal. É também claramente mostrado que o transporte de partículas no reator principal aumenta quando a quantidade global de meio de fluidização que flui para o reator principal é aumentado. Para além disso, pode ser visto que um aumento da quantidade do meio de fluidização que flui através da entrada (3) de fluido inferior também conduz a um aumento significativo do transporte das partículas se a quantidade global do meio de fluidização que flui permanece constante. A fluidização do reator secundário afeta o transporte de partículas no reator principal apenas numa ligeira extensão. Esta influência pode ser explicada pelo facto de uma maior fluidização no reator secundário conduzir a uma maior perda de pressão no reator secundário e, deste modo, promover o movimento das partículas sólidas através da linha de ligação do reator secundário para o reator principal. A Fig. 6 mostra o caudal de transporte de partículas específico (Gs em kg/(m2s)) do reator secundário como função da distribuição do meio de fluidização para as entradas inferior (3) e superior (4) de fluido do reator principal de um modelo hidrodinâmico do sistema de leito fluidizado de acordo com o presente invento tal como mostrado na Fig. 2, modelo em que o ar é utilizado como meio de fluidização. Os parâmetros mostrados no diagrama incluem diferentes quantidades globais de meio de fluidização que fluem para o reator principal (25 Nm3/h (29), 30 Nm3/h (30) e 35 Nm3/h (31)), por um lado, e diferentes quantidades de meio de fluidização que fluem para o reator secundário (10 Nm3/h 20 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ (26), 15 Nm3/h (27), e 20 Nm3/h (28)). Neste caso específico, o reator secundário é apenas fluidizado através da entrada (5) de fluido inferior. É demonstrado que o transporte de partículas no reator secundário não depende significativamente da distribuição do meio de fluidização na entrada inferior (3) e superior (4) de fluido do reator principal. A quantidade global do meio de fluidização que flui para o reator principal também não tem uma influência significativa no transporte das partículas sólidas no reator secundário. Tal como esperado, a quantidade global do meio de fluidização que flui no reator secundário afeta diretamente o transporte de partículas sólidas para o reator secundário. Um aumento da quantidade global do meio de fluidização que flui para o reator secundário conduz a um aumento significativo do transporte de partículas sólidas no reator secundário.
Exemplo:
No sistema de reator de leito fluidizado de acordo com a Fig. 1, a circulação de partículas global é controlada através de um leito (1) fludizado de partículas gás-sólido circulante possuindo, opcionalmente distribuídas, entradas (3,4) de gás (reator principal). O fluido transporta partículas sólidas através de um separador (12) gás-sólido e, opcionalmente, através de um elemento (9) de vedação de gás para o segundo leito fluidizado de partículas gás-sólido (reator secundário) (2). O sólido é reciclado através de uma ligação (10) de sifão ou elementos de ligação semelhantes (tais como uma manga fluidizada) na parte inferior dos reatores. Nos casos individuais, sobretudo em instalações de pequena escala, os reatores podem ser ligados uns aos outros através de um sifão nos seus pontos mais baixos (Fig. 2). No reator (2) secundário, o sólido é fluidizado utilizando um meio gasoso que pode ser também introduzido de modo (5,6) disperso. 0 sólido descarregado do reator secundário é separado do gás através de um separador (13) gás-sólido e reciclado para o mesmo reator. A circulação de sólido no sistema reator secundário pode ser alterada por meio de uma introdução dispersa (5,6) de gás. Se os reatores estiverem ligados deste modo, o transporte sólido entre os dois 21 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ reatores depende fortemente da operação do reator principal (introdução dispersa do meio de transporte), mas é, ao mesmo tempo, grandemente independente do caudal do gás e, deste modo, do tempo de residência do gás no reator (2) secundário. Devido à ligação hidráulica direta dos dois reatores através do sifão (10) inferior, o sistema tenta sempre equilibrar os niveis de enchimento nos dois reatores, determinando deste modo a localização do sólido dentro do sistema. Ao aplicar uma diferença de pressão entre as duas zonas reacionais (por exemplo, através de um dispositivo de estrangulamento na saída do gás so separador de partículas do respetivo reator de leito fluidizado ou através de medidas que são dispostas ainda mais a jusante na respetiva corrente de gás, tal como uma válvula estranguladora, uma aleta ou um cone de sucção) , o tempo de residência do sólido pode ser adicionalmente afetado. De acordo com as leis da hidrostática, um aumento da pressão do gás em um dos dois reatores conduz a uma alteração do nível de enchimento das partículas imaginário no outro reator. O nível de enchimento das partículas imaginário de um reator de leito fluidizado circulante afeta a quantidade das partículas descarregadas do referido reator. No caso do reator principal, o nível de enchimento das partículas imaginário afeta a circulação das partículas global do reator principal para o secundário. A circulação de partículas global do reator principal para o reator secundário é também afetada por uma alteração da resistência do fluxo na linha de ligação fluidizada em que as partículas são transportadas do reator secundário de volta para o reator principal. Durante a operação, a resistência de fluxo na linha de ligação pode, por exemplo, ser alterada alterando a fluidização na área da ligação ou através de dispositivos mecânicos (tais como mangas ou aletas). Uma resistência de fluxo aumentada na linha de ligação conduz a uma reduzida circulação de partículas global do reator principal para o reator secundário. Na área da saída do sólido e do separador (13) de partículas, o reator secundário é designado como proporcionando uma baixa quantidade de partículas que são descarregadas do reator, enquando a concentração de partículas na extremidade superior do reator é ainda elevada. Isto pode, por exemplo, ser conseguido elevando o reator acima da entrada do gás e através de uma geometria apropriada da saída do gás. 22 ΕΡ 2 178 630/ΡΤ
Quando se utilizam mais de dois reatores, pode ser utilizado um esquema de ligação básico de acordo com a Fig. 1, caso em que outros reatores podem ser dispostos de acordo com as seguintes opções ou de acordo com combinações destas opções: 1. Na área ou em vez do sifão superior (9, Fig. 1) e através de um reator intermédio, que pode, por exemplo, ser desenhado como sendo um leito fluidizado estacionário e em que, por exemplo, um permutador (Fig. 3) de calor pode ser proporcionado, a corrente de partículas é transportada de volta para o reator (2) secundário mostrado na Fig. 1. Utilizando um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas, tal como um reator intermédio adicional pode-se apenas utilizar parte da corrente de partículas circulante. Analogamente, um tal reator de leito fluidizado adicional pode ser também montado no ciclo de retorno de partículas do reator secundário que recicla as partículas para o reator secundário ou na linha de ligação fluidizada do reator secundário para o reator principal. 2. 0 sistema pode compreender um reator (23) secundário adicional que comunica com os dois reatores mostrados na Fig. 1 através de uma ligação fluidizada. Utilizando um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas (Fig. 4), a corrente de circulação de partículas do reator principal pode ser introduzida em ambos os reatores secundários. Alternativamente, a corrente de partículas é descarregada do reator secundário mostrado na Fig. 1 e separada da corrente de fluido pode ser transportada para o reator secundário adicional. 3. Tal como para o ciclo de retorno de partículas de um reator secundário adicional, é possível uma outra variação, com o que a corrente de partículas do referido reator secundário adicional pode ser reciclada quer para o reator principal quer para o reator secundário, ambos mostrados na Fig. 1.
Lisboa, 2013-06-11

Claims (13)

  1. ΕΡ 2 178 630/ΡΤ 1/3 REIVINDICAÇÕES 1. Sistema de reator de leito fluidizado consistindo de, pelo menos, dois reatores de leito fluidizado compreendendo pelo menos um reator (1) principal sob a forma de um leito fluidizado circulante e, pelo menos, um reator (2) secundário sob a forma de um leito fluidizado circulante, constituindo os referidos reatores dois espaços separados cheios de gás para a realização de reações químicas e estando ligados um ao outro através de uma corrente de sólidos circulantes, assim como uma linha de partículas compreendendo um separador de partículas e servindo para transportar partículas de leito fluidizado a partir do reator (1) principal no reator (2) secundário, caracterizado por o reator (1) principal e o reator (2) secundário estarem hidraulicamente ligados através de uma linha (10) de partículas fluidizadas nas suas outras metades.
  2. 2. Sistema de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a linha de partículas compreendendo um separador de partículas e servindo para transportar partículas de leito fluidizado do reator (1) principal para o reator (2) secundário reciclar uma porção da corrente de partículas diretamente para o reator (1) principal, utilizando um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas.
  3. 3. Sistema de acordo com a reivindicação 1 ou reivindicação 2, caracterizado por o reator (2) secundário compreender um ciclo de retorno de partículas que recicla as partículas do leito fluidizado do reator (2) secundário para qualquer reator de leito fluidizado ou, quando um dispositivo adequado para dividir a corrente de partículas é utilizado, para vários reatores de leito fluidizado.
  4. 4. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a linha (10) ligar a parte inferior do reator (2) secundário com a parte inferior do reator (1) principal.
  5. 5. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a linha (10) conduzir ao reator (1) ΕΡ 2 178 630/ΡΤ 2/3 principal a ou acima do nível de uma entrada (3) de fluido mais baixa, a fluidização da referida linha (10) substituindo opcionalmente a referida entrada (3) de fluido mais baixa.
  6. 6. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por a linha (10) compreender um meio (15) de fluidização de partículas de gás inerte.
  7. 7. Sistema de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por o referido meio (15) de fluidização de partículas de gás inerte ser um meio de fluidização de partículas de vapor de água.
  8. 8. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o sistema compreender um reator (23) secundário adicional, em que a linha de partículas do, pelo menos, um reator (2) secundário conduzir ao referido reator (23) secundário adicional ou a linha de partículas do reator (1) principal para o reator (2) secundário conduzir adicionalmente, pelo menos parcialmente, ao referido reator (23) secundário adicional.
  9. 9. Sistema de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por o ciclo de retorno de partículas do reator (2) secundário ou a linha de partículas do reator (1) principal para o reator (2) secundário compreender um divisor (24) da corrente de partículas.
  10. 10. Sistema de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por o ciclo de retorno das partículas (12,9,13,11) e/ou a linha (10) de partículas compreender um permutador (22) de calor.
  11. 11. Método para transportar partículas através de um sistema de reator de leito fluidizado de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado por as partículas sólidas serem transportadas através de um leito fluidizado no reator (1) principal e um leito fluidizado no reator (2) secundário e serem, pelo menos, parcialmente recicladas a partir do reator (2) secundário para a metade inferior do reator (1) principal. ΕΡ 2 178 630/ΡΤ 3/3
  12. 12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por ao aplicar uma diferença de pressão entre o reator (1) principal e o reator (2) secundário, as partículas serem desviadas para o reator a que se aplica a pressão inferior, o que resulta numa maior quantidade de partículas a serem descarregadas deste reator, enquanto, ao mesmo tempo, a quantidade de partículas descarregadas do outro reator é reduzida.
  13. 13. Método de acordo com a reivindicação 11 ou reivindicação 12, caracterizado por a circulação de partículas global entre o reator (1) principal e o reator (2) secundário ser reduzida aumentando a resistência de fluxo na linha (10). Lisboa, 2013-06-11
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