BRPI0804349A2 - aparelho e processo para decomposição térmica de qualquer tipo de material orgánico - Google Patents
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Abstract
Patente de Invenção: APARELHO E PROCESSO PARA DECOMPOSIçãO TéRMICA DE QUALQUER TIPO DE MATERIAL ORGáNICO. A presente invenção refere-se a um aparelho de Conversão de Baixa Temperatura composto de Tritubos que realiza simultaneamente as funções de vaso e trocador de calor. Este aparelho é capaz de promover a decomposição térmica de qualquer tipo de material orgânico para obtenção de carvão, óleo, água e gases não-condensáveis, como também promover a descontaminação de solos e resíduos contaminados com organoclorados e dioxinas. O aparelho é utilizado para decomposição térmica de qualquer tipo de material orgânico e compreende: uma caixa externa (2) com tampa hermética (19); uma camada de isolamento térmico (5) disposta em toda superfície interna da caixa externa (2) e tampa, o referido aparelho compre- endendo ainda pelo menos uma estrutura com três tubos concêntricos dispostos internamente, posicionados substancialmente na vertical e com a espessura de suas paredes adequada para aquecimento por meio de gases de um lado interno e externo da referida estrutura. A invenção ainda trata de um processo para decomposição térmica de qualquer tipo de material orgânico utilizando o aparelho da presente invenção e compreende as etapas de alimentação de material orgânico no interior do aparelho; aquecimento com gases no lado interior e exterior de uma região anular localizada nos tubos concêntricos internos ao aparelho; processamento com extração e condensação de óleo; resfriamento com gases; e basculamento do aparelho.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHOE PROCESSO PARA DECOMPOSIÇÃO TÉRMICA DE QUALQUER TIPODE MATERIAL ORGÂNICO".
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a um aparelho para decomposi-ção (dissociação) térmica de qualquer tipo de material orgânico (biomassas,Iodos, borras orgânicas, tortas, farelos, vinhaças secas, compósitos, excre-mentos de animais, pneus inservíveis, polímeros em geral, turfas, etc.) paraobtenção de produtos comerciais tais como óleos (com frações graxas, die-sei, aromáticos, limoneno, alcatrões, etc.) e carvões (tipo vegetal, linhito,betuminoso, negro-de-fumo recuperado - NFR, etc). O aparelho desta inven-ção possibilita também a destruição de produtos e solos contaminados comóleos, hidrocarbonetos organoclorados e dioxinas.
Descrição da técnica antecedente
A Patente Japonesa JP 56115386 de 1981 descreve um apare-lho para carbonização de pneus velhos para geração de calor. Isso é reali-zado através da queima do gás gerado e obtenção de carvão sem preocu-pação com a recuperação do negro-de-fumo contido na matéria-prima. Ouseja, esse aparelho não permite o aproveitamento dos produtos da reaçãoque são os carvões, negro-de-fumo recuperado obtido quando a matéria-prima for pneu, e o óleo. Na patente japonesa JP56115386 o aquecimentodo pneu é feito através de contato direto do gás de combustão sobre o mate-rial a ser processado, através dos furos 5. Na verdade, o aparelho descritonessa patente japonesa é um simples gaseificador com três vasos concên-tricôs.
Já o presente pedido de patente descreve um aparelho quepermite o aproveitamento dos produtos da reação, os quais são os carvões(negro-de-fumo recuperado obtido quando a matéria-prima for pneu) e o ó-leo. Os conceitos construtivos da patente japonesa JP 56115386 e do pre-sente pedido de patente são completamente diferentes. O aquecimento dospneus (ou qualquer outra matéria-prima) na presente invenção é feito deforma indireta através da tecnologia de Tritubo (três tubos concêntricos). Amatéria-prima é colocada no espaço entre o tubo intermediário do Tritubo etubo externo do Tritubo já o gás de aquecimento passa pela área entre otubo intermediário do Tritubo e o tubo interno do Tritubo e também pela regi-ão externa do Tritubo. A presente invenção é um aparelho hermético quereproduz as condições geológicas de formação do carvão, petróleo e gasesno subsolo (conforme Ernest Bayer), seus fracionamentos, otimizações decarregamento, descarregamento, baixo consumo de energia, custo de inves-timento, operacional e processamento de qualquer tipo de material orgânicoinclusive pneus inteiros.
A patente Inglesa GB 362.522 de 1931 descreve uma máquinaque é operada em regime de batelada para "carbonização a média tempera-tura" na faixa de 5909C a 700-C. Acima de 500-C os processos são pirolíti-cos (gaseificações) e abaixo de 5009C são conversões de baixa temperatura(craqueamento + síntese). Note-se que a faixa de operação usual da presen-te invenção é de 3809C a 4209C. Verifica-se que abaixo de 380 9C a reaçãoserá muito lenta e não viável economicamente e acima de 420 9C inicia-se adecomposição térmica de grande parte do óleo gerado pelo processo.
Voltando à patente inglesa, deve ser verificado que, terminada areação, há uma grande dificuldade para descarga do coque produzido, poiso mesmo fica aderido às paredes do reator. Tenta-se superar esse problemapor meio de duas providências:
a) a câmara de coqueificação tem seu volume aumentado atra-vés do movimento das paredes ocas 2 que são articuladas em uma de suasextremidades (figura 1). O produto é disposto entre pares de placas e o a-quecimento é realizado no espaço entre os pares de placas;
b) a máquina tem um dispositivo para empurrar o coque que éacionado quando as paredes ocas são movidas e ao mesmo tempo são a-bertas às portas articuladas na parte inferior da câmara de coqueificação, demodo a permitir a descarga do coque.
A presente invenção resolve o problema da descarga do carvãode forma simples e diferente: terminada a reação, a tampa de fechamento doreator, que está montada em um carrinho sobre trilhos, se movimenta libe-rando o reator, o equipamento todo é basculado em torno do seu eixo hori-zontal (o qual passa pelo centro de gravidade do aparelho) descrevendo umângulo de cerca de 180 graus. A boca de alimentação do Tritubo, que nasetapas de alimentação e reação é voltada para cima, na descarga fica volta-da para baixo e passa a ser uma boca de descarga. Assim, as principais di-ferenças entre esta patente e a presente invenção são:
1.) a patente GB 362.522 tem carregamento superior e o descar-regamento inferior. A presente invenção possui apenas a tampa superiorcom basculamento para descarregamento visando à máxima hermeticidadepossível;
2.) a patente GB 362.522 não é hermética. A presente invençãoé hermética;
3.) a patente GB 362.522 aplica-se apenas a produção de coquea partir de carvão mineral. A presente invenção aplica-se a várias matérias-primas que produzem diferentes tipos de óleos e carvões;
4.) a máquina da patente GB 362.522 é de carregamento e des-carregamento seqüencial (quase contínua). A da presente invenção é porbatelada.
A Patente Japonesa JP 10279950 de 1998 descreve um equi-pamento de carbonização de pneus velhos, rejeitos de vinil, cavacos de ma-deira, etc. O equipamento tem construção vertical e é composto de um fornoexterno e um forno interno concêntrico ao primeiro. O forno interno apresen-ta uma saliência superior em relação ao forno externo. Os conceitos constru-tivos da patente japonesa JP 10279950 e da presente invenção são comple-tamente diferentes. O problema da alimentação de matéria-prima e descargade produtos na patente japonesa é resolvido através de cestos introduzidosvia flange superior, o qual é instalado na parte saliente do tubo interno. Já napresente invenção não há cesto e o descarregamento é por basculamento.O cesto da patente JP 10279950 é dividido em três partes: inferior B1, inter-mediaria B2 e superior B3. A parte inferior é fechada para impedir vazamen-to do carvão e as partes superiores e intermediárias possuem furos quepermitem a descarga do produto.Na presente invenção o problema da descarga do produto é re-solvido pelo sistema de basculamento do equipamento. Terminada a reação,a tampa de fechamento do reator que é montada em um carrinho sobre tri-lhos se movimenta liberando o reator, o equipamento todo é basculado emtorno do seu eixo horizontal (que passa pelo centro de gravidade do apare-lho) descrevendo um ângulo de cerca 180 graus. A boca de alimentação doTritubo, que nas etapas de alimentação e reação é voltada para cima, nadescarga fica voltada para baixo e passa a ser uma boca de descarga. Umgrande problema do equipamento da patente japonesa é ter um único tuboque se aplicado para quantidades industriais implica grandes diâmetros. Omaterial carbonizado na parede externa do tubo interno atua como isolamen-to térmico para o material situado na parte central, passando a exigir váriashoras e mesmo dias para término do processo, sendo portanto um aparelhomuito pouco útil para qualquer aplicação industrial. O aparelho da presenteinvenção, além de várias características adicionais, resolveu a questão dotempo de processamento através dos Tritubos com aquecimento interno eexterno da matéria-prima situada na parte anular, o que resulta em espessu-ra de material pequena e tempos de processamento da ordem de 3 horas,permitindo assim que se alcance capacidade industrial. Deve ser verificadoque a presente invenção ainda contempla a possibilidade dos gases utiliza-dos na reação poderem ter temperaturas diferentes em uma modalidade al-ternativa da invenção.
A Patente Inglesa GB 330.980 de 1929 descreve um equipa-mento de carbonização de carvão mineral, turfa, madeira, etc. Os conceitosconstrutivos da patente inglesa GB 330.980 e da presente patente são com-pletamente diferentes, a começar do princípio de operação que é continuona primeira e por batelada na segunda. A patente inglesa GB 330,980 des-creve um aparelho composto por vários containers verticais (retortas) mon-tados estaticamente segundo uma simetria toroidal do tipo carrossel. Envol-vendo este carrossel de retortas, há uma campânula com perfil anular for-mando um túnel que cobre o carrossel de retortas. Este túnel é montado so-bre roletes e trilhos, têm um movimento circular periódico e é isolado comberço de areia. O túnel apresenta regiões de carga, aquecimento e resfria-mento. Desta forma é estabelecida a operação contínua do equipamento.Cada retorta dispõe ainda de uma porta superior para carga e inferior paradescarga do carvão sobre uma caçamba e cada conjunto de três retortaspossui uma tubulação estacionaria, para saída dos vapores (subprodutos).Através desta tubulação coletora, são retirados os vapores gerados no pro-cesso que são conduzidos para uma planta de destilação. Não há nada napatente inglesa que se assemelhe à figura do Tritubo que é a principal carac-terística do equipamento da presente invenção cuja configuração é cilíndrica,vertical e com elementos mecânicos e processos completamente diferentes.A falta da hemerticidade e a temperatura da reação faz com que o produtofinal da patente inglesa seja completamente diferente do da presente invenção.
A patente Americana 5.095.040 de 1992 é uma patente de pro-cesso. Ela descreve a utilização de equipamentos convencionais (picadoresde pneus, peneiras vibratórias, eletro-ímãs, moegas para estocagem, fornorotativo, queimadores, controladores de temperatura, torre de condensaçãocom recheio, tanques de óleo e chaminé) para o processamento térmico depneus velhos, em ambiente livre do ar atmosférico, porém não-hermético. Aseqüência de processo é: a) picamento do pneus; b) separação dos pedaçosfinos com dimensões de 1,27 cm {Vzn) a 1,9 cm (%") e descarte do materialgrosso incluindo o metal; c) silo pulmão de matéria-prima (pedaços peque-nos); d) carbonização em forno rotativo na ausência do ar atmosférico; e)recuperação do produto sólido (carvão poroso); f) condensação dos vaporesgerando óleo e g) queima ou descarte em chaminé dos gases não-condensáveis. Na patente americana não há menção sobre as característi-cas e aplicações do produto sólido (carvão poroso). Já na presente inven-ção, quando se processa biomassa contendo lipídios, proteínas e lignocelu-lósicos tem-se o carvão e ao se processar pneus tem-se o negro-de-fumorecuperado (NFR). Também não é citada a composição química e as aplica-ções do óleo, mas sim suas propriedades físicas 41,8 MJ/kg (18.000BTU/pound), gravidade específica de 0,90, ponto de fluidez de -7 eC e pontode ebulição de 112 QC (óleo ne 4). Os gases não-condensáveis são enviadospara chaminé ou são queimados em um ou mais queimadores. A principaletapa de processo é a carbonização da borracha que é feita em um fornorotativo constituído por um tubo de aço inoxidável com as seguintes dimen-soes sugeridas: diâmetro = 609mm, comprimento = 6.300mm e espessurada chapa de inox de 11,1 mm. O tubo apresenta aletas de levantamento earraste do material e inclinação na faixa de 5 a 10 graus sendo a boca dealimentação mais elevada que a boca de descarga para escoamento do ma-terial em processo e para dificultar a entrada de ar dentro do forno. A rotaçãoé lenta da ordem de 3 rpm. O tempo de residência do material processadono forno rotativo é de 7 a 8 minutos resultando em uma produção estimadade 2 a 3 t/h devido à baixa taxa de enchimento dos fornos rotativos. O fornorotativo é envolto por uma caixa isolada termicamente onde são instaladosqueimadores direcionados para a parte inferior do tubo rotativo. Sensores detemperatura são instalados no corpo do tubo para manter a temperatura nascondições desejadas que são: entrada da borracha: 480eC a 540-C, regiãocentral: 480QC e saída de carvão: 425gC a 440-C. A fumaça 34 deixa o rea-tor na faixa de temperatura de 160eC a 190QC e a torre de condensação ope-ra na faixa de 60-C a 70-C. A taxa de aquecimento estimada é de 125-C/min caindo na taxa de pirólise rápida inerte. A patente americana5.095.040 destaca que a utilização de um forno rotativo com parede lisa, aoinvés de sistemas de correias ou rosca transportadoras, evita problemas detravamentos devido à característica pegajosa do material processado. A pa-tente americana 5.095.040, portanto, não tem nenhuma característica seme-lhante com a presente invenção. A presente invenção descreve um equipa-mento novo com conseqüente processo novo, que não é pirólise, por serabaixo de 500-C e em atmosfera inerte (totalmente livre de O2), resultandodaí seu nome conversão de baixa temperatura. No processo utilizado pelapresente invenção acontece o craqueamento e síntese simultânea permiti-dos pelo tempo de residência de 60 a 90 minutos e, de modo, resulta emmaximização (aumento da quantidade) e melhoria da qualidade dos óleos. Oequipamento principal necessário para desenvolver o processo descrito napatente americana é um forno rotativo convencional que é uma máquina decaracterísticas construtivas completamente diferentes do reator tipo trocadorde calor com feixes de Tritubos definido na presente invenção. A sistemáticaoperacional do forno rotativo é contínua e do reator da presente invenção épor batelada.
Objetivos da Invenção
É um objetivo da presente invenção proporcionar um aparelhocom geometria de trio de tubos múltiplos de paredes finas chamados Tritu-bos que executam simultaneamente as funções de reator químico e de tro-cador de calor.
É um objetivo da presente invenção manter a atmosfera na regi-ão anular do Tritubo livre de oxigênio para evitar a oxidação das matérias-primas e produtos durante uma reação química.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção possuirparedes externas termicamente isoladas para diminuir o consumo de energiatérmica de aquecimento para uma reação química.
É um objetivo da presente invenção realizar o carregamento dasmatérias-primas e o descarregamento dos produtos sólidos de modo rápido.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção realizar aconversão de matérias-primas contendo lipídios e proteínas (juntas ou sepa-radas) em óleo, carvão e gases não-condensáveis.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção realizar aconversão de matérias-primas lignocelulósicas em óleos (alcatrão), carvão,água e gases não-condensáveis.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção realizar aconversão de pneus e borrachas em geral em óleo (contendo frações deLimoneno e aromáticos), negro-de-fumo recuperado (contendo negro-de-fumo original e as cinzas (compostos de zinco e enxofre, silício, alumínio,ferro, titânio, potássio, etc.) utilizados na fabricação das borrachas) e gasesnão-condensáveis.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção realizar aconversão de plásticos e polímeros em geral nos seus monômeros (eteno,propeno, estireno, etc), carvões, cinzas (compostos de zinco e enxofre, silí-cio, alumínio, ferro, titânio, potássio, etc") e gases nãõ^ndensáveis atravésdo resfriamento em temperaturas a freon ou criogênicas.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção realizar otratamento de solos contaminados ou outros materiais com organoclorados edioxinas e furanos (PCB, HCB, PCDD e PCDF) de modo a obter um materialresultante descontaminado.
É um outro objetivo do aparelho da presente invenção obter pro-dutos separados mais puros através da condensação fracionada ou mesmouma mistura resultante ainda mais pura que o usual de modo a permitir usosdos produtos resultantes diferentes daqueles relacionados ao do campo e-nergético.
Sumário da Invenção
A presente invenção trata de um reator de CBT que permite arealização das funções simultâneas de um vaso e de um trocador de calor esuas reações químicas e trocas térmicas. O reator é constituído de arranjosquadrados (ou de qualquer outra forma geométrica) de três tubos concêntri-cos nas configurações de um Tritubo até um número de Tritubos que sejatécnico e economicamente viável. Ou seja, o que vai definir a quantidade de
Tritubos é uma analise técnica e econômica do projeto a ser implementado.
Os trios de tubos da presente invenção, chamados de Tritubos,são dispostos na posição vertical com carregamento da matéria-prima atra-vés de moegas, pela parte superior e descarregamento dos produtos sólidospor basculamento do reator. Na configuração Tritubo, o gás quente de aque-cimento entra simultaneamente pela parede externa do Tritubo e pela regiãoentre o tubo interno e intermediário do Tritubo e sai pelo tubo interno menorchamado de baioneta. Este arranjo permite que a diferença de temperaturaAT entre entrada e saída dos gases quentes de aquecimento em regime deprocesso seja de apenas AT = 415 - 400 = 15 QC conferindo a característicade reator isotérmico. Os tubos são preferencialmente fabricados em Inox310, podendo ser utilizados outros aços resistentes a temperaturas médias(380°C a 450eC).O regime total de fluxo do Reator CBT (incluindo todas as etapasào processamento - do carregamento ao descarregamento) é por bateladacom duração aproximada de 6 a 8 horas, dependendo da matéria-prima. Asetapas da batelada são: alimentação, aquecimento, processamento com ex-tração e condensação do óleo, esfriamento, basculamento e processamentodo carvão. Em cada batelada o reator é mantido hermético, livre de oxigênio,utilizando N2 ou C02 como gás de arraste. A matéria-prima é seca em seca-dor externo em um mínimo aproximado de 95% de matéria seca.
As fases existentes durante o processo são as seguintes: a fasesólida da reação que existe na região anular, entre o tubo externo e o tubointermediário, possui catalisadores inorgânicos que fazem parte da própriamatéria-prima (SÍO2, AI2O3, Fe03, Ti02, K20, Zn, etc). A fase dos vapores(vapores dos alcatrões, óleo graxo, diesel, aromáticos, limonenos, monôme-ros de hidrocarbonetos e água) e a fase dos gases não-condensáveis (CO,C02, H2, CH4, N2, etc.) que são produzidos durante a conversão. Note-seque catalisadores externos podem ser misturados às matérias-primas duran-te sua secagem em fornos rotativos, de leito fluidizado ou secadores turbo"turbodryers". As fases existentes, externamente ao tubo externo e interna-mente ao tubo intermediário e tubo interno, compreendem gases de combus-tão do gerador de gás quente gerados externamente para aquecimento doReator CBT.
As condições de movimento dos materiais durante o período deuma reação no interior do reator CBT são: 1ê) Matéria-prima - Carregamentosuperior através de moegas em 240 segundos; 2-) Sólidos (matéria-primaem conversão) - Berço fixo durante o período de processamento em batela-da de 6 a 8 horas; 3ã) Vapores e Gases Não-condensáveis - Extração pelaregião anular do Tritubo também durante o período da batelada de 6 a 8 ho-ras; 4ê) Gás de Combustão de Aquecimento e ar de Resfriamento - Fluxocontínuo com período de residência de 8 segundos; 5ã) Carvão - Descarre-gamento por basculamento em aproximadamente 120 segundos. Os vapo-res e gases não-condensáveis podem ter o fluxo ascendente ou descenden-te (extração pela purga do N2) na região anular sendo que esta última visa àampliar o contato dos mesmos com os catalisadores presentes na massasolida.
O diâmetro da matéria-prima utilizada no reator da presente in-venção vai desde partículas submilimétricas (farelos, tortas, borras, Iodos,excrementos), centimétricas para graneis (cavacos, plásticos picados) e bri-quetas (restos de reflorestamento agrícolas, serrarias e capins) e métricaspara pneus de carros, caminhões e tratores que são tratados inteiros, semnecessidade de picamentos. Para pneus de caminhões, 4 ou 5 tubos de 0 =650mm poderiam ser substituídos por um único tubo de aproximadamente 0= 1.350 mm cuja ampliação de dimensões demanda maior período de pro-cessamento. Deve ser verificado que os tamanhos do Tritubo podem variarde acordo com as necessidades envolvidas. A maior demanda é para pneusde carro. Materiais com baixa densidade aparente são previamente brique-tados em formas cilíndricas ou torodais com diâmetros similares aos dospneus de carros.
A taxa de transferência de calor e massa do reator CBT constituisignificativa engenhosidade da presente invenção. A maior fração dos produ-tos envolvidos na reação é o carvão (40 a 60%), um isolante térmico quedificulta a transferência de calor para a conversão. A presente invenção re-solve esta questão através dos Tritubos com aquecimento do lado externo einterno da região anular mantendo a espessura de transmissão de calor infe-rior a aproximadamente 175 mm permitindo reduzir o período de conversãopara aproximadamente 3 horas, o que é 4 a 10 vezes inferior aos fornos decarbonização convencionais. Uma boa taxa de processamento de massa éalcançada com os volumes específicos médios aparentes das matérias-primas processadas (Tabela 1). Há uma feliz coincidência entre a espessuraanular ótima para transmissão de calor (175 mm) e a espessura dos pneusde veículos de passeio integral, dispensando a necessidade das custosasoperações de picamento.
O controle de temperatura é excelente devido ao aquecimentocontínuo com gás de combustão do gerador de gás quente e da condutivi-dade metálica do feixe de Tritubo do reator de CBT. O gerador de gás quen-te pode utilizar qualquer tipo de combustível (biomassa, óleo, gás natural ouGLP). A ciclagem térmica (etapas de aquecimento, conversão e resfriamen-to), permite a produção de 3 a 4 bateladas por dia.
A presente invenção pode ser considerada como um aparelhopara decomposição térmica de qualquer tipo de material orgânico compre-endendo uma caixa externa com tampa hermética, uma camada de isola-mento térmico disposta em toda superfície interna da caixa externa e tampa,e compreendendo ainda pelo menos uma estrutura com três tubos concen-tricos dispostos internamente, posicionados substancialmente na vertical ecom a espessura de suas paredes adequada para aquecimento por meio degases de um lado interno e externo da referida estrutura.
A estrutura com três tubos concentricos compreende um tubointerno, um tubo intermediário e um tubo externo e é aquecida no lado exter-no e interno da região anular dos tubos. O espaçamento entre a parede inte-rior do tubo externo e a parede externa do tubo intermediário é de aproxima-damente 175 mm. A estrutura com três tubos concentricos possui paredessubstancialmente finas cuja espessura varia entre 2 a 5 mm, preferencial-mente, 3 mm e um comprimento substancialmente igual ao do aparelho.
O fluxo de calor para aquecimento transferido por condução aostrês tubos concentricos ocorre simultaneamente pelo lado interno do tubointermediário para o centro da região anular dos três tubos concentricos epelo lado externo do tubo externo para o centro da região anular dos trêstubos concentricos, os gases utilizados para aquecimento não possuem con-tato físico com o material a ser decomposto. O aquecimento feito pelos ga-ses quentes em regime de processo permite que a diferença de temperaturaentre a entrada e a saída dos gases seja de aproximadamente 15°C.
Note-se que o referido aparelho é um reator de operação porbatelada.
O material utilizado na caixa externa é, preferencialmente, açocarbono. O material utilizado nos tubos concentricos é, preferencialmente,Inox 310, podendo ser utilizados outros materiais resistentes às temperatu-ras médias entre 380°C e 420°C. Já o material utilizado no interior da caixaexterna e tampa é, preferencialmente, uma manta retrataria para isolamentotérmico da estrutura externa e vedações de Viton ou silicone no fechamentoda tampa do aparelho.
O aparelho da presente invenção compreende dispositivos decompressão de ar e sopradores para suprimento de N2 ou C02 para purgarvapores e gases não-condensáveis, bem como um conjunto de alimentaçãoe saída de gás de aquecimento O conjunto de alimentação e saída de gásde aquecimento compreende um acoplamento de entrada de gás quente, umplenum de entrada de gás quente, um espelho inferior para homogenizaçãodo fluxo de gás quente, um espelho intermediário, um duto de captação degás de aquecimento, um plenum de saída de gás de aquecimento e um aco-plamento de saída de gás de aquecimento.
O aparelho da presente invenção compreende ainda, preferenci-almente, dois circuitos de resfriamento. O primeiro circuito de resfriamentocompreende as mesmas tubulações de aquecimento e é implementado atra-vés de insuflação por um ventilador e pela saída do gás quente na chaminé.Em um segundo circuito de resfriamento o resfriamento interno se dá pelacirculação de gás inerte (N2 ou C02) diretamente sobre o carvão na parteanular dos tubos. O segundo circuito de resfriamento compreende uma ca-nalização de purga, uma saída de vapores e gases não-condensáveis e arecirculação de gases neutros em um trocador de calor através de BlowerRoots.
A presente invenção ainda compreende um processo para de-composição térmica de qualquer tipo de material orgânico utilizando o apare-lho como previamente descrito e compreende as etapas de alimentação dematerial orgânico no interior do aparelho; aquecimento com gases no ladointerior e exterior de uma região anular localizada nos tubos concêntricosinternos ao aparelho; processamento com extração e condensação de óleo;esfriamento com gases; e basculamento do aparelho.
O processo ainda compreende a etapa de conversão que man-tém uma diferença de temperatura entre a entrada e saída dos gases quen-tes de aquecimento em regime de processo de aproximadamente 15°C. Oaquecimento para conversão do material de reação sendo realizado por a-proximadamente 3 horas, preferivelmente, 165 minutos. O aquecimento érealizado externamente ao tubo externo e internamente ao tubo intermediá-rio e tubo interno. O resfriamento para descarregamento do material da rea-ção é realizado por aproximadamente 2 horas.
No referido processo N2 é inserido no interior do aparelho paraexpulsão de oxigênio. O aquecimento da reação é realizado por meio da a-limentação de gás quente simultaneamente a todos os tubos.
O Processo ainda compreende as etapas de extração e conden-sação dos vapores e gases não-condensáveis gerados na conversão.
O reator CBT utiliza geralmente quatro materiais principais nasua fabricação: a)Aço Carbono na estrutura externa do reator operando atemperatura ambiente, b) Inox 310 ou outro aço refratário similar indicadopara a temperatura de trabalho de 380eC a 4209C, c). Manta retrataria, iso-lando termicamente a estrutura externa do reator trocador de calor propria-mente dito da temperatura interna e, d) vedações de Viton ou silicone nofechamento da tampa do reator. As resistências mecânicas dos materiaisexistentes no mercado (mancais, etc.) permite a fabricação de reator CBTcom até 64 Tritubos (tabela 2).
As principais operações externas do processo do reator são: a)secagem das matérias-primas em secadores rotativos, leito fluidos ou turbo-dryers; b) alimentação; c) geração de gás quente em fornalhas utilizandoqualquer tipo de combustível; d) extração e condensação fracionada ou nãodos vapores e gases não-condensáveis gerados na conversão; e) troca tér-mica realizada por meio da torre e bomba de água de resfriamento, dos tro-cadores de calor de condensação dos vapores e da água do lavador de ga-ses; f) suprimento de N2 ou CO2 g) descarregamento e processamento doscarvões.
Para a condensação de monômeros gerados na conversão depolímeros (eteno, propeno, etc.) as torres de resfriamento de água são subs-tituídas por refrigeração a freon ou criogênica.
As moegas de alimentação são caixas quadradas ou circularesdotadas de válvulas borboletas bipartidas para cada Tritubo. Após os carre-gamentos, as moegas são içadas pela ponte rolante, posicionadas no topodo reator e descarregadas. Para os reatores maiores as moegas são dividi-das ao meio ou em quatro quartos de modo a respeitar as dimensões rodo-viárias e possibilitar o carregamento das matérias-primas também em seuspontos de geração.
O processamento dos carvões pode ser simplificado ou comple-to. O processamento é simplificado quando é destinado a combustíveis agranel. É completo no caso do negro-de-fumo recuperado (NFR) obtido apartir da conversão de pneus que possuem primeiramente uma etapa deseparação da malha de aço e em seguida moagem e classificação em partí-culas inferiores a 20 um, 7 um ou 1 um.
Embora o CBT seja destruidor de organoclorados e dioxinas a-través da hermeticidade do processo e ruptura das ligações heterogêneas(C-O, C-H, C-CI, C-N, CI-0 etc), o aparelho da presente invenção permitedestruição total das dioxinas através da instalação de berço de sal fundido(850-C) na saída dos gases não-condensáveis para os casos em que a ma-téria-prima contenha estes poluentes.
Na utilização de uma modalidade do reator da presente invençãoas seguintes etapas básicas acontecem: secagem da matéria-prima externa;alimentação simultânea de todos os Tritubos através de moegas dotadas deválvulas borboletas bipartidas para cada Tritubo; aquecimento do reator a-través de gerador de gás quente utilizando qualquer tipo de combustível;resfriamento do reator utilizando o mesmo sistema de sucção do ar de aque-cimento (estando a fornalha desligada) para admissão de ar frio; extração econdensação fracionada ou não dos vapores e gases não-condensáveis ge-rados na conversão; resfriamento do trocador de calor utilizado na conden-sação de vapores e do trocador de calor do lavador de gases através de tor-re de refrigeração a freon ou criogênica para monômeros gerados pelos polímeros.
A presente invenção utiliza compressores de ar comprimido nosseus instrumentos e sopradores para o suprimento de N2 ou CO2 de modo apoder purgar os vapores e gases não-condensáveis. O processamento podeser simplificado (despacho ou embalagem) ou completo (moagem e classifi-cação dos carvões). Note-se que a partir do processamento de pneus usa-dos é produzido o negro-de-fumo recuperado (NFR). A selagem pode serfeita total na tampa do reator ou individual em cada Tritubo. O descarrega-mento é realizado por basculamento. Há uma baixa geração de gases não-condensáveis no processamento do reator da presente invenção. A recupe-ração do calor dos gases não-condensáveis como combustível da fornalhaacontece quando os mesmos não contêm compostos potencialmente tóxi-cos. A eliminação total de dioxinas e organoclorados é feita através da pas-sagem dos gases não-condensáveis em berço de sal fundido;
Com o intuito de melhor entender o tipo de material a ser conver-tido no aparelho da presente invenção, faz-se aqui as seguintes classifica-ção de Matérias-Primas:
l_a: Biomassa Limpa: Madeira, Resíduos de Reflorestamento eArbustos (carvão tipo vegetal e Alcatrão); l_b: Biomassa Limpa com contami-nação de Potássio: Resíduos Agrícolas, Capins, Bagaço e Palha da Cana(Carvão Vegetal e Alcatrão); M: Tortas, Farelos, Resíduos de Grãos, Graxa-ria Seca, Farinha de Carne, Farinha de Osso, Farinha de Sangue, etc. (Ó-leos Graxos e Carvão); NI: Excrementos (cama de frango, estéreo de porco egado), dependendo do teor de terra, esta classe passa a ser Classe II ouClasse IV (Óleos Graxos e Carvões); IV: Lodos de Estação de Tratamentode Esgoto Doméstico e Industriais (Óleos Graxos e Carvões); V: Pneus, Bor-rachas (Óleo Limoneno/ Aromático e Negro-de-fumo Recuperado - NFR); VI:Plásticos e Polímeros (Monômeros e Carvões); Especial: Destruição de or-ganoclorados e dioxinas (PCB, HCB, PCDD e PCDF) contidos em resíduose solos contaminados (Monômeros, Cinzas e Carvões)Tabela 1 - Massas Específicas Médias Aparentes das Várias Matérias-Primas
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Tabela 2 - Pesos das Várias Configurações dos Reatores
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Breve descrição das figuras
A figura 1.1 ilustra uma vista frontal do reator de CBT com umTritubo que é objeto da presente invenção.
A figura 1.2 ilustra o reator de CBT com um Tritubo que é objetoda presente invenção em corte horizontal A-A.
A figura 1.3 ilustra o reator de CBT com um Tritubo que é objetoda presente invenção em corte vertical B-B.
A figura 1.4 ilustram o reator de CBT com um Tritubo que é obje-to da presente invenção em uma vista em perspectiva.
A figura 2.1 ilustra uma vista frontal do reator de CBT com 32Tritubos que é objeto da presente invenção.
A figura 2.2 ilustra o reator de CBT com 32 Tritubos que é objetoda presente invenção em corte horizontal A-A.
A figura 2.3 ilustra o reator de CBT com 32 Tritubos que é objetoda presente invenção em corte vertical B-B.
A figura 3 ilustra um exemplo de um layout típico das Instalaçõesde um reator de CBT que é objeto da presente invenção.
A figura 4 ilustra uma curva de aquecimento e resfriamento doReator CBT e a taxa acumulada de reação da matéria contida no reator dapresente invenção.
A figura 5 ilustra os fluxos de calor por unidade de comprimentotransferidos por condução ao Tritubo e suas respectivas equações.
A figura 6 ilustra a variação do fluxo de calor transferido por con-dução pelo carvão formado e da taxa de aquecimento em relação a espes-sura anular do Tritubo.
Descrição detalhada das Figuras
As Figuras 1.1 a 1.4 a 2.1 a 2.3 ilustram os reatores CBT da pre-sente invenção com 1 Tritubo e 32 Tritubos, respectivamente, os quais utili-zam o mesmo conceito diferindo entre eles somente no tamanho. As peças 1a 5 compreendem a estrutura suporte 1, a caixa externa 2, o eixo de bascu-lamento 3, o motorredutor 4 e isolamento térmico do reator 5. As peças 7 a10 formam o conjunto Tritubo que compreende um tubo interrno 7, o tubointermediário 8, o tubo externo 9 e o tubo de purga 10. O Tritubo constitui oitem principal da presente invenção e integra 8 conceitos a saber: reator deberço fixo, trocador de calor, berço de arraste de gás inerte, tamanho de via-bilização em função da baixa condução térmica causada pelo carvão forma-do durante o processo (isolante térmico), resfriamento com gás neutro (N2ou C02) direto para vencer o isolamento térmico do carvão formado, coinci-dência do tamanho do item anterior com o tamanho dos pneus de carros depassageiros, ocupação útil de aproximadamente 1/3 do volume total do rea-tor e baixa impedância na fluidodinâmica do gás de aquecimento e de resfri-amento externo ao Tritubo.
As peças 11 a 17,compreendem o acoplamento de entrada degás quente 11, plenum de entrada de gás quente 12, espelho inferior 13(homogenizador do fluxo de gás quente), espelho intermediário 14, duto decaptação de gás de aquecimento 15, plenum de saída de gás de aquecimen-to 16 e acoplamento de saída de gás de aquecimento 17. Tais peças mos-tram o conjunto de alimentação e saída do gás quente gerado pela fornalha.A peça 18 mostra o espelho superior que suporta a carga dos Tritubos emoperação (posição vertical) e durante o basculamento auxiliado pelas peças13 (espelho inferior) 14 (espelho intermediário), 16 (plenum de entrada esaída de gás quente) com reduzida perda térmica para a estrutura externadevido ao uso de aços inoxidáveis e isolamento térmico. A peça 19 (figura 1e 2) mostra a tampa do reator, a qual é fechada por meio de cilindro hidráuli-co. A referida tampa 19 é vedada por meio de borrachas macias e duras aoseu redor. A peça 25 mostra a saída de vapores e gases instalada na tampa19, a qual é conectada ao venturi 55 (figura 3) através de acoplamento 27acionado por cilindro hidráulicos 28. A peça 29 mostra o carrinho de movi-mentação da tampa com sistema de levantamento e rodízios de movimenta-ção sobre trilhos. A peça 37 é uma possível substituição de 4 a 5 Tritubosque podem receber pneus de carros de passeio por um Tritubo que podereceber pneus de caminhões (figura 2.2). A proporção pneus de carros depasseio / pneus de caminhão é de 20/1 bastando a instalação de um únicoTritubo em cada reator para processar os pneus de caminhão. A distânciaentre o tubo externo 9 e o tubo intermediário 8 do Tritubo para pneus de ca-minhão foge da distância eficiente de transferência de calor, deficiência essacompensada pelo aumento do tempo reacional (duas bateladas seguidas)através do bloqueio do seu descarregamento após a primeira reação. O blo-queio é realizado por um dispositivo de travamento que pode ser ou não-montado no próprio aparelho.Na figura 2.1 pode ser visualizado um reator CBT com 32 Tritu-bos, o qual possui secção circular podendo ser constituído também comsecção quadrada. Nesse caso o reator terá 4 Tritubos a mais que a versãoanterior. Note-se que o Tritubo da presente invenção pode possuir qualquerformato em sua seção, desde que seja mantida a distância efetiva para atransferência de calor. Esta configuração tem um custo de investimento mai-or, porém menor custo operacional devido a maior produção por batelada. Aprática industrial mostrará qual das duas configurações será economicamen-te mais vantajosa.
O reator CBT com 1 Tritubo e o reator CBT com 32 Trituboscompreendem ainda uma tampa global 19 para os Tritubos com anéis devedação hermética de borracha refigerados 23, cilindro hidráulico 24 comengate rotativo para pressionar a tampa contra os anéis apoiados no corpodo reator, isolamento térmico 5 (por exemplo de fibra cerâmica) espelho su-perior 18 e estrutura suporte 1. Esta mesma tampa global é aplicada para oreator de secção quadrada. A diferença principal é que a estrutura é um per-fil I no reator de secção quadrada e em perfil U no reator de secção circular.O reator CBT pode operar também com a opção de tampa individual paracada Tritubo.
As peças são as mesmas das opções anteriores variando ape-nas seu posicionamento no reator. O acoplamento de saída dos vapores egases não-condensáveis da opção tampa global é constituído das seguintespeças: saída de vapores e gases não-condensáveis 25, flange 26, junta deexpansão 27 e cilindro hidráulico 28. O desengate das peças 25 a 28 permi-te o movimento da tampa sobre o carrinho afim de liberar o basculamento doreator; a peça 27 é a junta de expansão e a peça 28 é um cilindro hidráulicoque recua o engate; o conjunto de acoplamento é fixo na tubulação do Ven-turi 55 (figura 3) de condensação dos vapores e esfriamento dos gases não-condensáveis.
Um layout típico da Instalação do Reator CBT é ilustrado na figu-ra 3 em que acontece a alimentação e o descarregamento do carvão. Umamoega de alimentação 40 de pneus é dotada das válvulas borboletas bipar-tidas para cada Tritubo; a moega está colocada na posição de espera. Amoega 41 de alimentação de Iodos contaminados, etc, está na posição deespera. Uma ponte rolante 42 pega as moegas das carretas e levanta para aposição de espera e posteriormente para cima do reator para a operação dealimentação; a ponte rolante é utilizada também para montagem e manuten-ção dos equipamentos. A moega de descarga 43 recebe o carvão do bascu-lamento do reator, de modo que eles seguem para a esteira 44 e para o rolodesaglomerador 45, caindo na esteira 46. O aço no caso dos pneus é sepa-rado por um eletroímã 47, e segue para a esteira 48 e para a prensa enfar-dadeira 49. Após a esteira 46 o carvão segue pelo caracol 50 que transferepara o elevador de caçamba 51 que descarrega o carvão no container 52quando este for utilizado para fins energéticos (combustível). No caso doprocessamento de pneus onde se obtém o negro-de-fumo recuperado (NFR)o elevador de caçamba 51 descarrega o carvão (NFR) no moinho de martelo53 e daí para o classificador 54, dotado de filtro manga que libera o produtofinal classificado para o ensacador de Big-Bag ou sacos de papel.
Já a partir da saída de vapores e gases não-condensáveis 25,os mesmos seguem para o venturi 55 condensando no tanque 56 de ondesão bombeados pela bomba 57 para a torre de condensação 58 através dotrocador de calor 59. Após condensação o óleo passa pela centrífuga á-gua/óleo 60 indo para o tanque 61 dotado de bomba de estocagem 62. Osgases não-condensáveis são succionados pelo ventilador 63 que transfereos mesmos para o demister 64 (separador de condensados) e são encami-nhados para a fornalha 66. No processamento de polímeros os gases não-condensáveis (monômeros) são condensados por refrigeração ou criogênia.Para os reatores CBTs dedicados ao processamento de matérias-primascontendo organoclorados e dioxinas os gases não-condensáveis passam porqueimador de alta temperatura e berço de sal fundido. Os gases não-condensáveis após passagem pelo selo hidráulico 65 e são queimados nafornalha de alta temperatura 66 com chama de combustível auxiliar (GLP,GN, Acetileno, etc.) de modo que estes gases de combustão passem peloberço de sal fundido 68 onde ocorre a destruição final dos organoclorados edioxinas. Quando o teor de cloro nas matérias-primas for baixo, os gasesnão-condensáveis são queimados diretamente na fornalha de biomassa 67.Os gases de combustão de ambas as fornalhas 66, 67 se juntam na tubula-ção de gás quente do reator succionados pelo ventilador de gás quente 69.O controle de temperatura é feito através de damper (válvula) de ar frio natubulação de ar quente.
Existem dois circuitos de resfriamento. O circuito externo com-preende as mesmas tubulações de aquecimento, o qual é realizado atravésde insuflação pelo ventilador 70 e pela saída do gás quente na chaminé 71.
Em razão da baixa condutividade térmica do carvão, é necessário resfria-mento interno pela circulação de gás inerte (N2 ou CO2) diretamente sobre ocarvão na parte anular dos Tritubos, visando assim diminuir o período deresfriamento. Para tanto, utiliza-se a canalização de purga 10 e a saída devapores e gases não-condensáveis 25, porém recircula-se os gases neutrosno trocador de calor 72 através do Blower Roots 73.
Os Iodos, tortas, excrementos, etc. necessitam serem secadoscom um máximo de 5% de umidade para evitar oxidação dos óleos. Estasecagem é realizada no conjunto secador utilizando-se qualquer tipo de se-cadores (tambor rotativo, leito fluidizado ou secador turbo "turbodryer"). Utili-zando - se a exaustão dos gases quentes do aquecimento do reator.
Na presente invenção ainda atuam outros equipamentos perifé-ricos não-ilustrados, os quais são constituídos das seguintes unidades: torrede resfriamento de água, ou resfriador a freon ou criogênico, bombas de á-gua, compressor, tanque de ar comprimido, tanque e soprador de nitrogênioou C02.
A figura 4 ilustra uma curva de aquecimento e resfriamento doReator de CBT e a taxa acumulada de conversão (fração da matéria-primaque se transforma em carvão, óleo e gases não-condensáveis) da matériacontida no reator. Adicionando o período de carga e descarga, o tempo totalde processamento é de aproximadamente 6 a 8 horas permitindo 4 a 3 bate-ladas por dia.
O aparelho da presente invenção realiza a conversão termoquí-mica quase isotérmica de qualquer tipo de material orgânico em vários tiposde óleos, carvões e gases não-condensáveis de acordo com o tipo de maté-ria-prima utilizada. Os reatores quase isotérmicos situam-se em estreita faixade viabilidade ditada pela diferença de temperatura AT entre a temperaturade entrada e saída do meio de aquecimento. Quando AT diminui (tendendo azero) anula-se a capacidade de transferência de calor do meio de aqueci-mento para a matéria-prima que está sendo processada. O aumento da ca-pacidade de transferência de calor com o objetivo de ampliar a capacidadede processamento e com isso alcançar viabilidade econômica, exige o au-mento de AT, isto é, aumento da temperatura de entrada e/ou diminuição datemperatura de saída do meio de aquecimento. A primeira (aumento da tem-peratura de entrada) é limitada pela temperatura máxima de decomposiçãodos óleos (450gC) e a segunda (diminuição da temperatura de saída) é limi-tada pela temperatura mínima de conversão termoquímica dos materiais or-gânicos (380QC). A otimização dos processos tais como boa capacidade deprocessamento simultaneamente com boa qualidade dos produtos (óleos ecarvões) depende de se diminuir o intervalo de temperatura de AT = 70QC(máx) até AT < 15 9C.
A invenção alcançou período satisfatório de conversão de 3,0 hditado pelo fato dos carvões formados durante o processo serem materiaisisolantes, dificultando a transferência de calor com o tempo de processa-mento. A invenção resolve esta questão limitando a distância de transferên-cia de calor a aproximadamente 175mm entre o diâmetro externo máximo de0 = 650mm e o diâmetro interno mínimo de 0 = 300mm, ambos recebendocalor do meio de aquecimento. O espaço anular entre os diâmetros acima éo espaço útil de carregamento do reator com matéria-prima a ser processa-da resultando em uma taxa de secção útil de aproximadamente 33% dadopelos seguintes exemplos típicos não limitativos: secção do reator típico =5,3 x 5,3 m; nQ de Tritubos = 36; secção útil de carregamento 7i/4 (0 ext2 - 0int2) = 7ü/4 (0,652 - 0,32) = 0,261 m2; taxa de secção útil = 36 x 0,261/5,3 x 5,3= 0,33 = 33%. O mesmo período para o aquecimento do reator carregado étambém utilizado para o resfriamento da carga abaixo de 100 -C antes daabertura do mesmo a fim de evitar a combustão espontânea dos carvões.A transferência de calor no Tritubo
Verifica-se que o fluxo de calor transferido por condução ao Tri-tubo ocorre simultaneamente por duas vias, a saber: a) pelo lado interno dotubo intermediário para o centro da região anular do Tritubo b) pelo lado ex-terno do tubo externo para o centro da região anular do Tritubo. A figura 5apresenta os dois fluxos de calor transferidos por condução ao Tritubo e su-as respectivas equações, sendo que: T-\ = T5 e T3 são as temperaturas nasregiões quente e fria respectivamente; Ri, R2, R3, R4 e R5 os raios da secçãoreta do Tritubo; e a espessura da região anular do Tritubo; S a área anulardo Tritubo; kAi e kc as conductividades térmicas do aço inox 31 OS e do car-vão formado durante a conversão em baixa temperatura.
O fluxo de calor por condução é absorvido pela taxa de calor deaquecimento do Tritubo com a matéria-prima cujas equações seguem abaixo:
<formula>formula see original document page 24</formula>
Dividindo-se pelo tempo t de aquecimento da matéria-prima emóleo e carvão tem-se:
<formula>formula see original document page 24</formula>
onde Q é o calor necessário para a conversão da matéria-prima, L o com-primento do Tritubo, t o tempo de aquecimento, pAi a densidade do aço inox31 OS, Cpai o calor específico do aço inox, p a densidade e Cp o calor espe-cífico, onde os dois últimos são valores médios, mais próximos do carvãoformado do que da matéria-prima inicial.
Verificou-se que tanto o fluxo de calor por condução como a taxade calor de aquecimento variam em relação a espessura anular do Tritubo.Neste estudo foi analisado o comportamento de ambos os casos em funçãoda espessura anular.
Ajuste das equações de transferência de calor aos dados experimentaisCalor transferido por condução ao Tritubo
<formula>formula see original document page 24</formula>420 eC
- Temperatura no interior do tubo intermediário do Tritubo: T^
- Temperatura no diâmetro médio do Tritubo: T3: 25 -C
- Temperatura no lado externo do tubo externo do Tritubo: T5:420 oC
- Temperatura média do Tritubo: Tm = (420+25)/2 = 222,5 eC
- Conductividade térmica do aço inox 31 OS na temperatura Tm:Kai = 18,69 W/m5C
Conductividade térmica média, mais próxima do carvão forma-do na temperatura Tm: kc = 0,9868 W/mQC (este valor está da mesma ordemque a condutividade do coque de 0,9519 W/m-C)
- Espessura anular do Tritubo: e = 175 mm
- Espessura da chapa de aço inox 31 OS: eAi: 3 mm
- Raio médio do Tritubo: R3 = 230 mm
- Raio externo do tubo intermediário do Tritubo:
R2 = R3 - e/2 = 230 - 87,5 = 142,5 mm
Raio interno do tubo intermediário do Tritubo:
R1 = R2 - eAI = 142,5 -3 = 139,5 mm
Raio interno do tubo externo do Tritubo:
R4 =R3 +e/2 = 230+ 87,5 = 317,5 mm
Raio externo do tubo externo do Tritubo:
R5 = R4 + eA, = 317,5 + 3 = 320,5 mm
- Fluxo de calor transferido pelo lado do tubo intermediário doTritubo: qi/L
- Fluxo de calor transferido pelo lado do tubo externo do Tritubo:q2/L
- Fluxo de calor total transferida para o Tritubo: — = +
<formula>formula see original document page 25</formula>q = 2481,86 2481,86
L " 1,138 x 1 (T3 + 0,4851 + 5,032 x 10"4 + 0,3267
= 5.104,21 + 7.584,82 = 12.689,03 W/m = 12,6890 kW/m
Taxa de calor de aquecimento da matéria-prima
- Calor específico médio, mais próximo do carvão formado natemperatura Tm: Cp: 1,0200 kJ/kg9C (este valor está da mesma ordem que ocalor específico do coque de 1,0366 kJ/kgQC)
- Calor específico do aço inox 31 OS na temperatura Tm: Cpai:0,46 kJ/kg9C
- Densidade média: p = 550 kg/m3
- Densidade do aço inox 31 OS: pAi = 7.900 kg/m3
- Tempo de aquecimento do Tritubo de 25QC a 420QC: t = t: 5.400 s
Taxa de calor necessária para aquecer a massa de matéria-prima
<formula>formula see original document page 26</formula>
Análise das curvas de transferência de calor
A figura 6 apresenta a variação do fluxo de calor transferido porcondução e da taxa de aquecimento em relação à espessura anular do Tri-tubo mantendo-se os demais parâmetros constantes. Ressaltam-se os se-guintes pontos:
O conjunto de dados experimentais, constantes dos materiais eos valores de condutividade térmica e calor específico próximos do carvãocoque, resulta na espessura anular de 175 mm. Esta espessura, além depermitir o tratamento de pneus inservíveis de carros de passageiros inteiros,viabiliza uma produtividade econômica para o tratamento de vários materiais(Iodos, dejetos, tortas, farelos, madeira, etc).
A condutividade térmica do inox não é determinante e a conduti-vidade do carvão determina a condução de calor e conseqüentemente todasas dimensões do Tritubo e do processo de conversão da presente invenção.
Note-se que a taxa de aquecimento do inox representa apenas18,3% da taxa de aquecimento total, isto é, a matéria-prima e produtos (car-vão) são os determinantes da mesma.
O motivo pelo qual o desempenho do Tritubo é idêntico para to-das as matérias-primas é que o comportamento térmico é determinado pelaspropriedades do carvão e todas as matérias-primas são convertidas no finala um carvão com propriedades próximas ao do coque.
O fluxo de calor do tubo interno representa 40% do fluxo total edo tubo externo 60%. Uma distribuição meio a meio é impossível porque re-sultaria em R3/R2 = R4/R3.-. R§ = R2R4... R* = (R3 _ e/J(R3 + e/L) = R3 - (e/L)2.-. e/L = 0.
Se levássemos em conta o aumento do tempo de conversãocom a espessura anular, resultaria em valores menores para a taxa de calorde aquecimento para os valores maiores da espessura anular e conseqüen-temente cruzamento das duas famílias de curvas em e > 175mm. O grandeaumento do tempo de aquecimento, devido ao comportamento assintótico dacurva de fluxo de calor, resulta em menor produção diária e inviabilizaçãoeconômica da tecnologia. A análise acima mostra que a espessura anular doTritubo de 175 mm está em torno do valor ótimo, e é determinada pela con-dutividade térmica e calor específico do carvão formado, que estão próximosdos valores do coque qualquer que seja a matéria-prima inicial.
Outro detalhe da invenção é a operação por batelada com car-regamento pela tampa superior e descarregamento por basculamento atra-vés de rotação em torno de eixo que passa pelo centro de gravidade. A tam-pa é vedada por anéis em O deslizantes (viton ou silicones) resfriados dandoao reator característica hermética (livre de oxigênio) para impedir a oxidaçãodo óleo e carvão formados. Desta forma a invenção maximiza o rendimentodos produtos representados por cerca de 40% a 60% de carvão, 10% a 30%de óleo, 10% a 15% de água e 10% a 20% de gases não-condensáveis emrelação à matéria-prima inicial. A abertura da tampa se dá por pequeno le-vantamento pneumático e deslizamento lateral por um carrinho motorizadoOutro detalhe da invenção é sua capacidade de processamentode vários tipos de matérias-primas gerando diferentes produtos, agrupadasnas seguintes classes: l_a: Biomassa Limpa: Madeira, Resíduos de Reflores-tamento e Arbustos gerando carvão tipo vegetal e alcatrão; l_b: BiomassaLimpa com contaminação de Potássio: Resíduos Agrícolas, Capins, Bagaçoe Palha da Cana, gerando também carvão tipo vegetal e alcatrão; II: Tortas,Farelos, Resíduos de Grãos; Graxaria Seca, Farinha de Carne, Farinha deOsso, Farinha de Sangue, etc. gerando óleos graxos e carvão; IN: Excre-mentos (cama de frango, estéreo de porco, gado e outros animais), gerandoóleos graxos e carvão; dependendo do teor de terra esta classe passa a serClasse II ou Classe IV; ]V: Lodos de Estação de Tratamento de Esgoto Do-méstico e Industriais, gerando óleos graxos ou carvão; V: Pneus, Borrachasgerando óleos limonenos/aromáticos, monômeros e negro-de-fumo recupe-rado - NFR, VI: Plásticos e polímeros em geral gerando os monômeros origi-nais, carvões com cinza e gases não-condensáveis em temperatura a freonou criogênicas e, Classe Especial: Destruição de organoclorados e dioxinas(PCB, HCB, PCDD e PCDF) contidos em resíduos e solos contaminados.
A capacidade de utilização de várias classes de matérias-primase a obtenção de vários tipos de óleo e de carvões, associado às característi-cas de temperatura, tempo e hermeticidade anteriormente descrita, asseguravárias alternativas econômicas jamais alcançadas por dispositivos similares.Note-se que o nitrogênio ou CO2 é utilizado como gás de arraste para dimi-nuir o tempo de permanência dos vapores de óleo no reator para evitar suadecomposição.
Há uma ampla faixa de capacidade de processamento com mo-delos, a qual se inicia com um 1 Tritubo. Por exemplo, pode-se ter modelosde 9 Tritubos (média de 31 t/dia) 64 tubos (média de 220 t/dia) ou até mais.Os tamanhos menores são limitados pelos resultados econômicos e os ta-manhos maiores pela resistência mecânica dos materiais no suporte dascargas totais do aparelho (peso próprio + matéria-prima) que podem alcan-çar no total inúmeras toneladas. A utilização de aços especiais de alta resis-tência na estrutura do aparelho e superligas na tubulação permitirá a fabri-cação de reatores com grande capacidade e com possibilidade de ativaçãocom vapor até 8505C. O comprimento útil do dispositivo do Tritubo é variá-vel, podendo ser aumentado em função do uso dos materiais avançadosacima mencionados.
O carregamento do aparelho é feito através de moegas dotadasde válvulas borboletas bipartidas posicionadas acima de cada Tritubo. Asmoegas são previamente carregadas próximas ao CBT ou na origem de ge-ração das matérias-primas e transportadas até ao CBT em caminhões e iça-das por pontes rolantes até ao piso no nível de alimentação do reator. Asmoegas ficam em posição de espera ("standy by") e após o reator ter des-carregado a reação anterior, ela retorna para a posição de carregamento.Depois disso, as moegas são posicionadas sobre o aparelho, e a as válvulasborboletas bipartidas são abertas completando o carregamento de modorápido (aproximadamente 4 minutos). Por exemplo, as moegas podem serúnicas no caso dos aparelhos pequenos (1 e 16 tubos), duplas no caso dosaparelhos médios (25, 36 e 49 tubos) e quádruplas no caso dos aparelhosgigantes (64 tubos ou mais). A divisão das moegas permite que as mesmastenham larguras dentro dos padrões rodoviários (máx. 3,20m) permitindooperação "just in time" entre suprimento e processamento de biomassa eli-minando-se a necessidade de grandes depósitos de biomassa e resíduos.
As modulações dos reatores, subdivisão das moegas com larguras dentrodos padrões rodoviários, capacidade de carga suportada pelos materiaisestruturais determinam o tamanho dos aparelhos da presente invenção.
O reator da presente invenção ainda possibilita um descarrega-mento rápido (aproximadamente 2 minutos) dos produtos sólidos através dobasculamento em torno de eixo passando pelo centro de gravidade do apa-relho. O descarregamento é feito sobre moega vibratória que transporta osprodutos sólidos para as etapas de acabamento de acordo com as exigên-cias de mercado (rolos ou moinhos desintegradores, peneiras, separadoresmagnéticos, moinhos de martelo ou de disco dotados de classificadores eembalagem).Legenda da Patente: Um Aparelho para Conversão de Baixa Temperatura
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Claims (25)
1. Aparelho para decomposição térmica de qualquer tipo de ma-terial orgânico compreendendo:uma caixa externa (2) com tampa hermética (19)uma camada de isolamento térmico (5) disposta em toda super-fície interna da caixa externa (2) e tampa, o referido aparelho caracterizadopor compreender aindapelo menos uma estrutura com três tubos concêntricos dispostosinternamente, posicionados substancialmente na vertical e com a espessurade suas paredes adequada para aquecimento por meio de gases de um ladointerno e externo da referida estrutura.
2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que a estrutura com três tubos concêntricos compreende um tubointerno (7), um tubo intermediário (8) e um tubo externo (9), o aquecimentosendo realizado no lado externo e interno da região anular dos tubos.
3. Aparelho de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pe-lo fato de que o espaçamento entre a parede interior do tubo externo (9) e aparede externa do tubo intermediário (8) é de aproximadamente 175 mm.
4. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que a estrutura com três tubos concêntricos possui paredes subs-tancialmente finas cuja espessura varia entre 2 a 5 mm, preferencialmente, 3mm e um comprimento substancialmente igual ao do aparelho.
5. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que o fluxo de calor para aquecimento transferido por conduçãoaos três tubos concêntricos ocorre simultaneamente pelo lado interno dotubo intermediário (8) para o centro da região anular dos três tubos concên-tricos e pelo lado externo do tubo externo (9) para o centro da região anulardos três tubos concêntricos, os gases utilizados para aquecimento não pos-suindo contato físico com o material a ser decomposto.
6. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou 5, caracteriza-do pelo fato de que o aquecimento feito pelos gases quentes em regime deprocesso permite que a diferença de temperatura entre a entrada e saídados gases seja de aproximadamente 15°C.
7. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que é um reator de operação por batelada.
8. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que o material utilizado na caixa externa é, preferencialmente, açocarbono.
9. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe-lo fato de que o material utilizado nos tubos concêntricos é, preferencial-mente, Inox 310, podendo ser utilizados outros materiais resistentes às tem-peraturas médias entre 380°C e 420°C.
10. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o material utilizado no interior da caixa externa e tampa é,preferencialmente, uma manta refratária para isolamento térmico da estrutu-ra externa e vedações de Viton ou silicone no fechamento da tampa do apa-relho.
11. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender dispositivos de compressão de ar e sopradorespara suprimento de N2 ou C02 para purgar vapores e gases não-condensáveis.
12. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender um conjunto de alimentação e saída de gás deaquecimento (11-17).
13. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou 6, caracteri-zado pelo fato de compreender um conjunto de alimentação e saída de gásde aquecimento compreendendo um acoplamento de entrada de gás quente(11), um plenum de entrada de gás quente (12), um espelho inferior (13) pa-ra homogenização do fluxo de gás quente, um espelho interrmediário (14),um duto de captação de gás de aquecimento (15), um plenum de saída degás de aquecimento (16) e um acoplamento de saída de gás de aquecimento (17).
14. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de compreender ainda, preferencialmente, dois circuitos de resfri-amento.
15. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de um primeiro circuito de resfriamento compreender as mesmastubulações de aquecimento e ser realizado através de insuflação por umventilador (70) e pela saída do gás quente na chaminé (71).
16. Aparelho de acordo com a reivindicação 14, caracterizadopelo fato de um segundo circuito de resfriamento compreender o resfria-mento interno pela circulação de gás inerte (N2 ou C02) diretamente sobre ocarvão na parte anular dos tubos.
17. Aparelho de acordo com a reivindicação 16, caracterizadopelo fato de que o segundo circuito de resfriamento compreende uma cana-lização de purga (10), uma saída de vapores e gases não-condensáveis (25)e a recirculação de gases neutros em um trocador de calor (72) através deBlower Roots (73).
18. Processo para decomposição térmica de qualquer tipo dematerial orgânico utilizando o aparelho como definido em qualquer uma dasreivindicações 1 a 17, caracterizado pelo fato de compreender as etapasdealimentação de material orgânico no interior do aparelho;aquecimento com gases no lado interior e exterior de uma regiãoanular localizada nos tubos concêntricos internos ao aparelho;processamento com extração e condensação de óleo;resfriamento com gases; ebasculamento do aparelho.
19. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato decompreender a etapa demanutenção de uma diferença de temperatura entre a entrada esaídas dos gases quentes de aquecimento em regime de processo de apro-ximadamente 15°C;
20. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que o aquecimento para conversão do material de reação érealizado por aproximadamente 3 horas, preferivelmente, 165 minutos.
21. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que o aquecimento é realizado externamente ao tubo externo einternamente ao tubo intermediário e tubo interno.
22. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que o resfriamento para descarregamento do material da rea-ção é realizado por aproximadamente 2 horas.
23. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que N2 é inserido no interior do aparelho para expulsão de oxi-gênio.
24. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que o aquecimento é realizado por meio da alimentação de gásquente simultaneamente a todos os tubos.
25. Processo de acordo com a reivindicação 18, caracterizadopelo fato de que compreende as etapas deextração e condensação dos vapores e gases não-condensáveisgerados na conversão.
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