PT2661475E - Reator térmico - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO REATOR TÉRMICO A invenção é relativa a um reator térmico para a reciclagem termolitica continua de granulados de pneus usados, de granulados de resíduos de vulcanização e de granulados de plásticos usados e produtos semelhantes, em que o reator térmico apresenta uma parte de entrada, uma parte intermédia de zona de aquecimento e uma parte de saída, dispostas verticalmente debaixo umas das outras.

Segundo o estado da técnica, a reciclagem valiosa de granulados de pneus usados, granulados de resíduos de vulcanização e granulados de plásticos usados ocorre preponderantemente em reatores tubulares rotativos, mais raramente em reatores de leito fluidizado, de leito fixo ou reatores a combustível pulverizado, por estes ainda se encontrarem em fase de desenvolvimento. Os denominados reatores de caixa ou verticais foram empregues até à data sobretudo como permutadores de calor para o aquecimento, a sinterização e o arrefecimento de matérias-primas fluidas e para a pirólise de resíduos orgânicos, com vista a gerar combustíveis alternativos. A partir do WO 2010/127664 Al, conhece-se um processo de pirólise multiníveis, com autonomia energética e de funcionamento em contínuo, para a recuperação fracionada de materiais potencialmente recicláveis e de energia de compostos orgânicos, fluidos de reticulação de elevado peso molecular, em particular de granulados de pneus usados, perfis vedantes e outros granulados de plásticos, bem como um dispositivo para realizar o processo. Para desenvolver um processo de pirólise de funcionamento em contínuo com autonomia energética para granulados orgânicos fluidos de acordo com o conceito principal, propõe-se aí que o granulados percorram gravimetricamente um reator de pirólise multiníveis vertical no sentido descendente, sendo aquecidos e pirolisados para temperaturas processuais de ajuste variável gradual de 300 a 1.200°C. Uma condensação posterior fracionada dos vapores de pirólise leva a uma reciclagem de compostos oleosos e gasosos, e um aproveitamento motorizado posterior do gás de pirólise gera a energia necessária ao processo de pirólise. O objetivo da presente invenção é o de desenvolver um reator térmico de funcionamento continuo para um processo de pirólise deste tipo, que permita, sem dispositivos de transporte e de mistura de rotação motorizada adicionais ou dispositivos de fluidificação pneumáticos, sujeitar granulados de pneus usados, de resíduos de vulcanização e de plásticos usados a uma reciclagem termolítica contínua.

Este objetivo é atingido de acordo com a invenção pelo facto de • o reator térmico apresentar uma parte de entrada, uma parte intermédia de zona de aquecimento e um parte de saída, que estão dispostas debaixo umas das outras na vertical, • na parte intermédia da zona de aquecimento estar disposto centralmente um tubo de aspiração no reator térmico, em que a superfície da respetiva camisa apresenta inúmeras perfurações e/ou fendas para fazer dissipar os vapores de compostos hidrocarbonetos de cadeia curta originados e, no tubo de aspiração, estarem inseridas campânulas dispostas em sobreposição umas com as outras, e estarem previstos meios para aspirar os vapores de compostos hidrocarbonetos do tubo de aspiração, e • na parte intermédia da zona de aquecimento na camisa exterior, estar disposta uma série de placas de aquecimento dispostas radialmente, que estão dispostas de modo desalinhado entre si nos níveis de aquecimento sobrepostos.

No âmbito da invenção, mostrou-se que, apesar da má condução térmica destas substâncias com um reator térmico vertical deste tipo, é possível, em funcionamento contínuo, reciclar granulados de pneus usados, de resíduos de vulcanização e de plásticos usados, visto estes serem sujeitos a uma boa mistura e a aquecimento homogéneos. As substâncias percorrem o reator térmico vertical no sentido descendente em atmosfera pobre em oxigénio e abaixo da pressão atmosférica, e são separadas nesse caso termicamente em compostos hidrocarbonetos na forma de vapor de cadeia curta e em sólidos (coque), que representam matérias-primas valiosas.

Na parte de entrada ocorre a entrada doseada de material no reator térmico. Na parte intermédia da zona de aquecimento ocorre uma separação fraccionada dos produtos de termólise originados em sólidos e em vapor, a temperaturas, preferencialmente, entre 500°C e 600°C, sendo os vapores de compostos hidrocarbonetos aspirados na parte intermédia da zona de aquecimento e sendo depois condensados na forma de compostos oleosos com diferentes composições e na forma de gás permanente. Na parte de saída, acumula-se o sólido coque que se precipita no processo de termólise e o mesmo é retirado através de uma saída de sólidos do reator térmico.

No âmbito da invenção, tanto num nível de aquecimento como de um nível de aquecimento para o nível de aquecimento adjacente, encontram-se dispostas de modo alternado placas de aquecimento curtas e compridas.

Esta medida consegue, com a disposição alternada das placas de aquecimento, uma boa mistura e um aquecimento homogéneos do material.

Outra conceção preferida da invenção consiste em as placas de aquecimento poderem ser inseridas em fendas com um tamanho correspondente na camisa exterior do reator térmico e em poderem ser retiradas destas fendas.

Isto permite uma manutenção rápida e uma rápida substituição de placas de aquecimento com defeito. É vantajoso que as placas de aquecimento sejam de aquecimento elétrico.

Neste âmbito, é vantajoso que estejam previstos meios para controlar o perfil de temperatura no reator térmico e para o ajuste individual da temperatura de cada placa de aquecimento.

Além disso, uma conceção da invenção consiste em os meios para aspirar os vapores de compostos hidrocarbonetos do tubo de aspiração estarem concebidos como tubuladura de saída de vapor, a qual está liqada a uma unidade de policondensação.

Seguidamente, a invenção é descrita em maior detalhe com base em Figuras.

As Figuras mostram

Figura 1 um corte longitudinal de um reator térmico de acordo com a invenção sem dispositivo de catalisador, Figura 2 uma secção (corte A-A) na parte superior do reator térmico de acordo com a Figura 1,

Figura 3 um desenvolvimento da camisa exterior do reator térmico de acordo com a invenção, com a disposição dos níveis alternados de placas de aquecimento,

Figura 4 e a vista A uma placa de permutador de calor de aquecimento elétrico, bem com uma vista detalhada da mesma,

Figura 5 um corte longitudinal de um reator térmico de acordo com a invenção, com um dispositivo de catalisador adicional. 0 reator térmico (1) está concebido, de acordo com a invenção, como recipiente de pressão vertical, com várias flanges. Devido à sua sujeição a altas temperaturas, é feito totalmente de aço ou de ligas resistentes ao calor, como, por exemplo, 1.4828, 1.4841, AVESTA 253 MA, Nicrofer 45 TM ou materiais semelhantes. A Figura 1 mostra um corte longitudinal através do reator térmico (1) de acordo com a invenção e torna possível reconhecer o princípio base da construção. 0 reator térmico (1) apresenta (visto de cima para baixo) uma parte de entrada na forma de cone truncado (2), a que se junta uma parte intermédia de zona de aquecimento cilíndrica (3) , que passa por fim a uma parte de saída na forma de cone truncado (4).

De modo a minimizar uma penetração de oxigénio, indesejada na tecnologia de termólise, no reator térmico (1), a entrada e a saída de granulado para dentro e para fora do reator (1) ocorrem, de acordo com a invenção, através de um sistema de entrada de material (23). Consiste preferencialmente numa válvula rotativa resistente a pressão de choque, com um rotor de fácil desmontagem, uma possível regulação do número de rotações através de um conversor de frequências e uma conexão de inertização, em combinação com uma válvula de regulação para matérias a granel.

De um recipiente de armazenamento de granulado que se encontra acima do reator (1), faz-se entrar de modo doseado os granulados, através do bocal de entrada de sólidos (6), no reator térmico (1) . Um distribuidor de material (10) leva a uma distribuição uniforme dos granulados em toda a secção circular do reator (1). Consoante a granulometria e o tipo de material, forma-se uma coluna de camada compacta no interior do reator térmico (1), que se move, na sequência de gravitação, continuamente no sentido descendente através do reator térmico (1) . A coluna de granulado é limitada pela camisa exterior cilíndrica (14), pelos elementos de montagem interiores (5), pelas placas de aquecimento curtas e compridas (9) dispostas de modo alternado radialmente na camisa exterior (14), que sobressaem para o espaço interior do reator (1), bem como pela altura de nível de enchimento no reator (1).

Através da disposição radial das placas de aquecimento (9) e da disposição alternada das mesmas em níveis de aquecimento sobrepostos, a coluna de granulado é dividida em pequenas secções tipo fatias de tarte. Uma boa mistura dos granulados e, com isso, um aquecimento uniforme dos mesmos ocorre, por um lado, através da disposição alternada de placas de aquecimento curtas e compridas (9) e, por outro lado, através dos elementos de montagem interiores (5) na parte da zona de aquecimento (3) do reator térmico (1), que estão concebidos como corpos de deslocamento e de recirculação e que levam a uma uniformização do perfil de velocidade dos granulados no reator térmico (1).

Através do contacto forçado e íntimo dos granulados com as placas de aquecimento (9), preferencialmente de aquecimento elétrico, estes podem ser aquecidos continuamente para temperaturas de reação ajustáveis de até 950°C e ser separados termicamente. As temperaturas de reação são controladas através de um sistema de condução processual (21) em função do tipo de material, do tamanho do granulado e das suas propriedades de condução térmica. O perfil de temperatura no reator térmico (1) pode nesse caso variar através da secção do reator e da altura de toda a parte intermédia da zona de aquecimento (3) , e é possível regular individualmente a temperatura de cada placa de aquecimento (9). A altura do nível de enchimento do granulado no reator térmico (1) é registado e regulado por um dispositivo de regulação e de medição do nível de enchimento γ (15) . O tempo de permanência dos granulados no reator térmico (1) a uma temperatura de reação predeterminada e, com isso, o grau de separação das ligações múltiplas dos compostos hidrocarbonetos também são automaticamente registados e controlados pelo sistema de condução processual (21).

No tubo de aspiração (11) central incorporado a meio no reator térmico (11), encontram-se na superfície da camisa inúmeras perfurações e/ou fendas, que dissipam os vapores de compostos hidrocarbonetos de cadeia curta originados. Surge uma corrente transversal destes vapores relativamente à corrente de sólidos, portanto, uma corrente cruzada. As aberturas de aspiração são cobertas e protegidas por campânulas cónicas, sobrepostas umas com as outras, feitas deslizar sobre o tubo de aspiração (11), os denominados elementos de montagem interiores (5), de modo a que não possam ser aspirados ao mesmo tempo granulados ou pó. Os vapores originados na termólise podem entrar, através da parte inferior aberta das campânulas, nas aberturas de aspiração e, através destas, no tubo de aspiração (11) . Depois, os vapores chegam, por meio de subpressão de em média -50 mbar a -75 mbar, através da saída de vapor (8), a uma unidade de policondensação (26), onde ocorre a sua condensação na forma de compostos oleosos com diferentes composições, níveis de viscosidade, valores de aquecimento, e na forma de gás permanente. O teor de sólidos, originado no processo de termólise de granulado de pneus usados de cerca de 45 a 52% em peso na forma de granulados de coques, consiste em cerca de 70 a 90% de carbono puro e cerca de 10 a 25% de substâncias de carga inorgânicas, que foram adicionados a novos pneus aquando da produção. O valor de aquecimento médio Hu é de cerca de 23 a 30 MJ/kg e a superfície BET média é de cerca de 80 a 120 m2/g. O granulado de coques acumula-se na parte de saída na forma de cone truncado (4) e é introduzido, através da saída de sólidos (7) e num sistema de saída de material (24) de construção igual ao sistema de entrada de material (23), mas, no caso da execução de alta temperatura, numa voluta de arrefecimento (25) de arrefecimento a água, é arrefecido para a temperatura ambiente e é armazenado intermediariamente em dispositivos de armazenamento.

Na Figura 2, encontra-se representado o principio de distribuição de acordo com a invenção das placas de aquecimento curtas e compridas (9.1, 9.2) dentro do reator térmico (1) . A distância de separação t das placas de aquecimento (9.1, 9.2) no perímetro do reator térmico (1) é determinada pela condutibilidade térmica λ do material de granulado a ser processado e do tamanho do granulado. Exemplo: 0 grau de penetração de calor máximo na camada de granulado é de 100 mm e o perímetro do reator térmico (1) é de 4800 mm, resultando assim um número de placas de aquecimento de n = 4 800 mm : 100 mm = 48 placas de aquecimento. O ângulo de separação at é de at = 360° : 48 placas de aquecimento = 7,5° Em função da construção também foram necessárias 24 placas de aquecimento compridas e 24 placas de aquecimento curtas (9.1; 9.2) para um nível de aquecimento. Calcula-se o número e a potência de aquecimento das placas de aquecimento no total, de acordo com as normas estipuladas gerais para permutadores de calor.

Na Figura 3 é representado, num desenvolvimento da camisa exterior (14), o princípio da disposição alternada das placas de aquecimento (9.1; 9.2) nos níveis de aquecimento. A disposição alternada das placas de aquecimento (9.1, 9.2) é de reconhecimento fácil. A disposição e a execução das placas de permutador de calor (9..9n) de aquecimento elétrico e fixas radialmente na camisa exterior (14) levam a uma entrada de calor ótima no granulado, dado que tanto a distância de separação t das placas de permutador de calor (9..9n) na horizontal, como também a distância dos níveis de aquecimento na vertical e a sua disposição alternada são concebidas em função dos tamanhos dos granulados a ser processados e do tipo de granulado, e levam assim a graus de eficácia muito elevados.

Na Figura 4 encontram-se representadas as fixações das placas de aquecimento (9.1; 9.2) na camisa exterior (14) . As placas de aquecimento (9.1, 9.2) são inseridas em fendas com um tamanho correspondente na camisa exterior (14) do reator térmico (1) e podem ser retiradas de novo individualmente, para fins de manutenção ou de substituição, da camisa exterior (14) do reator térmico (D ·

Na Figura 5 encontra-se representado, de acordo com a invenção, um reator térmico (1) com a possibilidade de um tratamento catalítico adicional dos vapores de hidrocarbonetos. Em principio, a estrutura e a execução do reator térmico (1) são equiparáveis às da Figura 1. Apenas a parte de saída (4) está modificada para que nela se encontre uma série adicional de placas de aquecimento (9), que garante uma temperatura de 600°C para os vapores originados. Na parte de saída (4.1), encontra-se um filtro de leito compacto (22) para catalisadores, no qual os vapores ficam no seu local de proveniência em contacto direto com o granulado de catalisador. As temperaturas necessárias para as operações de cracking do vapor são controladas através do sistema de condução processual (21) . É importante neste caso manter a temperatura mínima de cerca de 550°C e uma subpressão de pelo menos 50 mbar.

Visto que alguns componentes dos vapores já se começam a condensar a temperaturas de cerca de 450°C a 500°C e visto que formam, juntamente com o pó fino formado na instalação, uma massa que tende a coqueificação, existe o risco de aumento excessivo da condução de vapor que vai para a unidade de policondensação (26) . Como medidas de proteção adicionais contra estas situações, são convenientes coberturas térmicas ou filamentos de aquecimento elétrico com uma execução de isolamento contra altas temperaturas sem lacunas.

Como catalisadores para o filtro de leito compacto (22), deram provas de ser apropriados os catalisadores mistos que são empregues na indústria petroquímica, tais como, por exemplo, Si02/Al203, Cr203/Fe203, bem como zeólitos.

Por motivos de resistência e devido à dilatação longitudinal considerável no estado de funcionamento, o reator (1) é suspenso através de braços de suporte (17) no ponto da maior resistência à tração, na parte superior da área de aquecimento (3).

Em conformidade com a invenção, a execução do reator térmico (1) ocorre na forma de flanges e com subdivisão em secções processuais. Esta forma de execução confere as seguintes vantagens técnicas e tecnológicas, tais como, por exemplo, possibilidades de acabamento, reparação e substituição mais fáceis, um melhor manuseio no transporte e na montagem, bem como uma grande flexibilidade do reator térmico (1) em termos de utilização dos produtos a ser processados, de correção mais fácil no caso de aumentos de capacidade e alterações em termos de tipo e de repartição dos produtos finais pretendidos. A estrutura de construção do reator térmico (1) foi mantida deliberadamente muito simples de acordo com a invenção e é conseguida através de equipamento prático para ser de fácil reparação em termos de manutenção e de colocação em funcionamento, como, por exemplo, na parte superior do reator (2) aberturas para inspeção (12) e, na parte inferior do reator (4), aberturas para inspeção (13), bem como as execuções de fácil desmontagem dos componentes interiores (5), o distribuidor de material (10) e o tubo de aspiração central (11).

Com este reator de termólise, é possível um processo de reciclagem ecológico, isento de resíduos e com autonomia energética, que se distingue por uma elevada flexibilidade tecnológica em termos da utilização das granulometrias de granulado a ser processadas, dos tipos de materiais, e de uma correção mais fácil no caso de aumentos de capacidade e de alterações em termos de tipo e da relação de separação dos produtos finais. É possível um aproveitamento próprio do gás permanente com um valor de aquecimento inferior Hu de 30 a 45 MJ/m3 e com um índice de metano médio de 60 para o fornecimento energético autónomo, através de uma produção de eletricidade motora numa unidade de gerador de motor a gás, usualmente numa central de cogeração de calor e eletricidade, e o sólido, que é composto por cerca de 45 a 52% em peso de carbono puro na forma de granulados e de negro de carbono, com uma superfície BET média de 80 a 120 m2/g, um valor de aquecimento médio Hu de cerca de 23 a 30 HJ/kg e com cerca de 10 a 25% em peso de substâncias de carga inorgânicas, pode ser introduzido, por exemplo, numa reciclagem na indústria dos pneus e/ou na indústria da borracha.

Os óleos de termólise libertados das mais variadas frações no processo de termólise no reator térmico (1) e na unidade de policondensação (26) podem ser introduzidos em refinarias petrolíferas, na indústria dos plásticos, dos corantes, ou na indústria da borracha, no caso de fabricantes de óleo combustível ou de combustíveis, bem como fabricantes de negro de carbono, com vista ao seu processamento posterior.

Lista de referências 1 Reator térmico 2 Parte de entrada 3 Parte intermédia da zona de aquecimento 4 Parte de saída 5 Elementos de montagem interiores 6 Tubuladura de entrada de sólido 7 Saída de sólidos 8 Saída de vapor 9 Placas de aquecimento 10 Distribuidor de material 11 Tubo central de dissipação de vapor 12 Aberturas para inspeção superiores 13 Aberturas para inspeção inferiores 14 Camisa exterior cilíndrica 15 Dispositivo de regulação e de medição do nível de enchimento 16 Conexões de inertização 17 Braços de suporte 18 Dispositivos de medição, comando, regulação para temperatura, pressão e teor de oxigénio 19 Entrada de catalisador 20 Saída de catalisador 21 Sistema de condução processual como controlo por programa residente (controlo por software) 22 Filtro de leito compacto 23 Sistema de entrada de sólidos 24 Sistema de saída de sólidos 25 Voluta de arrefecimento 26 Unidade de policondensação

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • WO 2010127664 Ai [0002]

Lisboa, 28 de Maio de 2015

Claims (6)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Reator térmico para a reciclagem termolitica continua de granulados de pneus usados, de granulados de resíduos de vulcanização e de granulados de plásticos usados e produtos semelhantes, em que o reator térmico (1) apresenta uma parte de entrada (2), uma parte intermédia de zona de aquecimento (3) e uma parte de saída (4), dispostas umas debaixo das outras na vertical, caracterizado por, • na parte intermédia da zona de aquecimento (3) estar disposto centralmente, no reator térmico (1), um tubo de aspiração (11), cuja superfície da camisa apresenta inúmeras perfurações e/ou fendas para dissipar os vapores de compostos hidrocarbonetos de cadeia curta originados e em que, sobre o tubo de aspiração (11), são feitas deslizar campânulas (5) cónicas sobrepostas, e em que estão previstos meios (8) para aspirar os vapores de compostos hidrocarbonetos do tubo de aspiração (11), e • na parte intermédia da zona de aquecimento (3) , a camisa exterior (14) apresentar uma série de placas de aquecimento dispostas radialmente (9), as quais estão dispostas em níveis de aquecimento sobrepostos alternados entre si.
2. 2. Reator térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estarem dispostas placas de aquecimento (9) curtas e compridas de modo alternado, tanto num nível de aquecimento como de um nível de aquecimento para o nível de aquecimento adjacente.
3. 3. Reator térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as placas de aquecimento (9) poderem ser inseridas em fendas com um tamanho correspondente na camisa exterior (14) do reator térmico (1) e por poderem ser retiradas dessas fendas.
4. 4. Reator térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as placas de aquecimento (9) poderem ser aquecidas eletricamente.
5. 5. Reator térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estarem previstos meios (21) para controlar o perfil de temperatura no reator térmico (1) e para o ajuste individual da temperatura de cada placa de aquecimento (9).
6. 6. Reator térmico de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os meios (8) para aspirar os vapores de compostos hidrocarbonetos do tubo de aspiração (11) estarem concebidos como tubuladura de saída de vapor (8), que está ligada a uma unidade de policondensação (26). Lisboa, 28 de Maio de 2015