BRPI0804916A2 - reator de leito de fluido contìnuo - Google Patents
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Abstract
A presente invenção se refere a um aparelho e método para fluidificação contínua que compreende pelo menos duas células conectadas por uma abertura que permite que o material sólido seja introduzido na célula a jusante seguinte por fluxo horizontal fluidificado, um bordo livre isolado dentro de cada célula, pelo menos duas varetas de filtro, contidas no bordo livre isolado de cada célula, e pelo menos uma válvula de escapamento contida em cada vareta de filtro. O aparelho permite processamento de materiais que são tipicamente difíceis de fluidificar por manter uma diferença de pressão substancialmente constante entre cada bordo livre isolado.
Description
REATOR DE LEITO DE FLUIDO CONTÍNUO
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a um aparelho emétodo para fluidificação contínua e, em uma modalidade, àfluidificação contínua de materiais que são difíceis deprocessar.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
Vários tipos de processos de fluidificação têmsido utilizados há muitos anos para diversas operações e/ouprocessos diferentes. Em geral, em sistemas fluidifiçadosuma fase sólida é suspensa em um fluxo de gás que se moveascendentemente.
Turbulência elevada existente em um leitofluidificado prove características elevadas detransferência de calor, e pode causar mistura quasecompleta dos sólidos com o gás de fluidificação para formarum sistema de sólido-gás relativamente homogêneo.
A ocorrência de canalização, causada pelaformação de bolsos na fase sólida, pode resultar napassagem de gás através dos sólidos sem que haja contatoíntimo com a fase sólida.
A canalização é parcialmente minimizada pelo usode uma pluralidade de zonas tubulares através das quais ogás de f luidif icação é passado em contato com a fasesólida. Cada tubo opera como um leito fluidificadoindividual tendo uma área em seção transversal muito menor,e em geral tais sistemas de leito tubular têmcaracterísticas de transferência de calor maiores devido àdisponibilidade aumentada de área superficial.
Materiais com características coesas têmtendência a formar agregados durante fluidificação em zonastubulares e podem, portanto, ser difíceis de fluidificar.Amido é um exemplo de um material coeso, e tende a formarpedaços ou aglomerados dentro dos reatores de leitofluidificado resultando em canalização severa e conversãoincompleta do amido.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
A presente invenção se refere a aparelho de leitofluidificado contínuo para uso na fluidificação demateriais sólidos, incluindo materiais que são difíceis defluidificar, particularmente materiais em partículassólidas que têm tendência a aderir ou aglomerar para formarmassas coesas, onde o aparelho compreende: (a) duas ou maiscélulas onde cada célula tem seu próprio bordo livreisolado; e (b) duas ou mais varetas de filtro contidas nobordo livre de cada célula; e em que uma diferença depressão constante é mantida entre cada bordo livre isolado.
Em uma modalidade, o aparelho de leitofluidificado contínuo da presente invenção compreendeaproximadamente 10 ou mais células.
A diferença de pressão constante entre cada bordolivre isolado estabelece uma altura constante de partículasfluidifiçadas em cada célula.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A figura 1 apresenta uma representaçãoesquemática de um reator de leito fluidificado contínuo,típico.
A figura 2 apresenta um diagrama esquemáticosuspenso de reator de leito de fluido contínuo de umamodalidade da presente invenção, onde 60 células sãorepresentadas com cada célula individual atuando como umleito fluidifiçado. Cada célula tem dois filtros. Osfiltros são conectados como indicado por linhas deescapamento para fornecer seis colunas de filtrosinterconectados. As células são dispostas em 20 fileiras.Há 3 células por fileira. O material passa através doreator em uma trajetória de serpentina.
A figura 3 apresenta uma representaçãoesquemática lateral de um reator de leito fluidificadocontínuo de acordo com uma modalidade da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Um sistema de leito fluidificado típico,utilizado na indústria para processar partículas, édescrito em US 5.378.434 (Procedyne) incorporado aqui atítulo de referência, e ilustrado na figura 1 por um reatorde invólucro único. Esse reator tem três separações decompartimento integrais, 31A, 31B, 31C para fornecer trêssistemas de recirculação de gás independentes 44A, 44B, 44Ccom cada compartimento ou separação de zona contendo trêsdefletores de estágio para formar quatro estágios por zona,60A, 60B, 60C, e 60D na zona 31A; 60E, 60F, 60G e 60H nazona 31B; e 601, 60J, 60K e 60L na zona 31C.
Partículas são continuamente alimentadas atravésdo orifício de alimentação 58, na zona de alimentação 59,que alimenta para dentro do primeiro estágio 60A daprimeira zona 31A, e então para estágios sucessivos.
A passagem de partículas fluidifiçadas a partirde estágio para estágio dentro de uma dada zona é realizadapela provisão de fendas alternadas nas divisões deseparação de zona 61A, 62A, 63A, 64A; 61B, 62B, 63B, 64B;61C, 62C, 63C, 64C, para realizar o fluxo contínuo. Issocria um curso de serpentina para fluxo das partículasfluidifiçadas. Essas fendas aparecem em extremidadesopostas das divisões de separação de zona adjacentes aparedes laterais opostas do recipiente de reator, efornecem um meio para o curso de fluxo em serpentina.
Uma vez que há uma alimentação contínua naextremidade de alimentação da unidade, o peso crescente, eos níveis de leito nas zonas, provêem a força deacionamento para manter o leito fluidificado de sólidos semovendo em direção e então através da zona de descarga daunidade 56, e então para fora através do orifício dedescarga do recipiente 57.
No exemplo ilustrado da figura 1 com trêssubdivisões de zona, cada uma contendo quatro estágios, asparedes de subdivisão de zona 64A, 64B, e 64C, são vedadasna parede de invólucro nos volumes cheios 32A, 32B e 32C,no leito de fluido; e nos volumes de bordo livre acima, oleito de fluido 31A, 31B e 31C, e desse modo mantendo osgases de fluidificação e gases a serem reciclados separadosdos respectivos gases de cada zona adjacente.
O gás de fluidificação entra em cada zona,respectivamente em 75A, 75B e 75C. Os fluxos de gás defluidificação consistem em gás de reciclagem a partir desistemas de reciclagem 44A, 44B e 44C, e os gases decomposição a partir de 70, 71 e 72. Linhas de gás decomposição 70, 71 e 72 unem o sistema de reciclagem 44A,44B e 44C através de linhas de fornecimento 70A, 70B, 70C,71A, 71B, 71C, 72A, 72B e 72C. A pluralidade de linhas defornecimento permite que o operador de processo selecione acomposição do gás separadamente e independentemente paracada zona. Um leito fluidifiçado é mantido pelo controle dataxa de gás em circulação para manter uma velocidade defluidificação apropriada dependendo do tamanho e densidadedas partículas na zona de reação dada.
Cada fluxo de gás de reciclagem após sair doreator através dos orifícios de saída 52A, 52B, 52C éresfriado em permutadores térmicos 51A, 51B e 51C, então ébombeado com compressores 50A, 50B e 50C, e misturado comos gases de composição para ajustar a composição, eretornado ao reator. As temperaturas do gás defluidificação que entram nos orifícios de alimentação 75A,75B e 75C são mantidas suficientemente abaixo datemperatura de leito de fluido nos estágios respectivospara realizar o equilíbrio de energia exigido da zona.
A presente invenção é dirigida ao aparelho deleito fluidificado contínuo para a fluidificação demateriais sólidos, particularmente materiais em partículassólidos que são difíceis de fluidificar, como materiais quetêm uma tendência a aderir ou aglomerar. O aparelho dapresente invenção pode ser útil, por exemplo, em processosquímicos e/ou físicos (como, sem limitação, reações depolimerização, sistemas de gaseificação de carvão eremediação de solo) nos quais materiais em partículas sãofluidifiçados e submetidos à transferência a calor durantefluidificação, normalmente para fornecer calor ao materialem partículas.
Em outra modalidade, a presente invenção prove umprocesso para a fluidificação de sólidos que são difíceisde fluidificar. Ainda em outra modalidade, tal processo écaracterizado pela ausência de canalização.
Ainda em outra modalidade, a presente invençãoprove aparelho e um processo para a f luidif icação desólidos em que tal aparelho e processo fornecemhomogeneidade aperfeiçoada e características detransferência de calor aperfeiçoadas e onde sólidos sãoeficientemente convertidos em tempos de permanênciauniformes.
Em um aspecto não limitador, onde o aparelho deleito fluidificado contínuo da presente invenção compreendemais de uma célula, a pressão dentro do bordo livre de cadacélula não necessita ser equivalente à pressão em célulascontíguas. Em um aspecto da invenção, o aparelho tem pelomenos 10 células, em outro aspecto, pelo menos 25 células,e em um terceiro aspecto, pelo menos 50 células.
Se a pressão variar dentro de uma célula de bordolivre, então a pressão de bordo livre dentro de cada célulavaria substancialmente na mesma quantidade substancialmenteno mesmo tempo; isso equilibra as pressões dentro do reatore evita que contrafluxo ocorra e mantém altura de leitoconstante dentro de cada célula individual, embora a alturado leito de todas as células não necessite ser igual. Aaltura de leito constante leva a taxas de descarga ealimentação substancialmente consistentes, resposta rápidae elevação para estado constante, e uma distribuição detempo de permanência justa. Substancialmente a mesmapressão não significa mais do que uma diferença de 1000 Pa,em outra modalidade não mais do que 500 Pa e em umaterceira modalidade não mais do que 250 Pa.Substancialmente o mesmo tempo não significa mais do queuma diferença de 0,25 segundos, em outra modalidade nãomais do que 0,5 segundo e em uma terceira modalidade nãomais do que 0,01 segundo. Uma pessoa versada na técnicareconheceria que alterações na densidade fluidificadaalterarão a sensibilidade de fluxo a alterações de pressão.
Sempre que ocorrer escapamento, ocorresimultaneamente no mesmo número de válvulas de escapamentode vareta de filtro em cada célula - isso reduz variação depressão de bordo livre. Simultaneamente significa em 0,25segundo, em outra modalidade em 0,5 segundo e em umaterceira modalidade em 0,01 segundo.
Válvulas de escapamento comutam a operação defiltro entre escapamento e sangria de gás de fluidificação.Uma abertura no teto da unidade permite que o gás fluaentre as células para manter a diferença de pressão entreelas.
Para minimizar variação de pressão de bordo livreno reator, escapamento das varetas de filtro é simultâneo eenvolve o mesmo número de varetas de filtro por célula emcada célula.
Escapamento simultâneo envolve controle precisodo timing de válvulas de escapamento de vareta de filtro.Essas válvulas comutam a operação de filtro entreescapamento e sangria de gás de fluidificação.
Linhas de remoção / escapamento de filtro queconectam varetas de filtro permitem que gás flua entre ascélulas para manter uma diferença de pressão entre asmesmas.
Uma modalidade da invenção é mostrada no diagramaesquemático suspenso de reator de leito fluidificadocontínuo ilustrado na figura 2.
Com referência ã figura 2, no reator de leitofluidifiçado contínuo da presente invenção, a força deacionamento de queda de pressão de célula para célula quemantém fluxo de partículas é realizada pelo nível de leitode fluido na extremidade de alimentação 17 do reator sendolevemente mais elevada em nível do que no orifício detransbordamento 18. Isso é análogo à coluna hidrostáticaque mantém o fluxo de um líquido em um canal longo.Aumentos típicos de nível são da ordem de 2,54 a 10,16centímetros de coluna de água por 6,096 metros decomprimento de reator. Do mesmo modo, quando as partículasfluidifiçadas passam através das fendas nas divisões deseparação de zona 7 e 8, a queda de pressão é da ordem de2,4884 a 17,4188 Pascal para um pó de amido comaproximadamente 350 kg/m3 de densidade fluidifiçada, que éreflexão em uma queda equivalente em nível de leito defluido entre zonas sucessivas. Linhas de remoção /escapamento de filtro 1, 2, 3, 4, 5, 6 servem como umadescarga para gás de fluidificação, como um suprimento paragás de escapamento, e para permitir que gás flua entre ascélulas para manter uma diferença de pressão entre asmesmas.
Como ilustrado na figura 3, uma modalidade dainvenção reside em cada célula 19, 20, 21 tendo seu própriobordo livre isolado 22, 23, 24 e sendo incluídas pelo menosduas varetas de filtro 9, 10, 11, 12, 13, 14 em cada bordolivre pelo que uma diferença de pressão constante é mantidaentre cada bordo livre isolado. Isso permite afluidificação de materiais sólidos 15, particularmentemateriais em partículas sólidos que têm tendência a aderirou aglomerar para formar massas coesas.
Um aspecto não limitador do reator de leitofluidificado contínuo da presente invenção se refere àdistribuição de tempo de permanência de materiais que estãosendo processados. A distribuição de tempo de permanência émedida em termos de equivalentes de célula, quanto maiselevado o número de equivalentes de célula melhor (ou "maisjusto") é a distribuição de tempo de permanência. Umadistribuição de tempo de permanência justa permite que cadapartícula experimente quase o mesmo tempo de processamentono reator e forneça boa qualidade de produto, alteraçõesmais rápidas de produto, e desempenho aperfeiçoado dereator. Em uma modalidade, uma distribuição de tempo depermanência justa significa pelo menos 80% das partículassaem em 2 0% do tempo de permanência médio. Além disso, emreatores onde a distribuição de tempo de permanência éjusta, as partículas seguem uma trajetória de primeiro aentrar primeiro a sair fazendo com que material dealimentação antigo seja retirado pelo material dealimentação novo em uma quantidade menor do que cincovolumes de reator de material.
Em um aspecto não limitador, o reator de leitofluidificado contínuo da presente invenção éparticularmente bem adequado ao processamento de amidos,incluindo inibição térmica de amido, dextrinização,oxidação, etc., uma vez que amidos são coesos e desse modosão difíceis de fluidificar. A invenção também consideraprocessos físicos bem como químicos, como secagem. Amidospodem ser efetivamente secos na prática da invenção. Alémdisso, outros processos físicos e/ou químicos podem serrealizados em outros sólidos difíceis de fluidificar.Amidos, como utilizado aqui, pretendem incluir amido,materiais contendo amido, ou materiais derivados de amido.
Um amido que pode ser dextrinizado, outermicamente inibido, de acordo com o processo da presenteinvenção pode ser derivado de uma variedade de materiais deamido, incluindo amidos de cereal, amidos cerosos e/ouamidos de raiz. Típicos de tais materiais de amido sãoamidos de cereal não ceroso (isto é, amido de milho e amidode trigo), amido de batata, amido de tapioca, amido desorgo em grão, amido de arroz; amidos cerosos (isto é,amido de milo ceroso, amido de milho ceroso), amidos comteor elevado de amilose, etc. Em uma modalidade, amidos decereal ceroso são utilizados. Em outra modalidade amido demilho ceroso é utilizado.
Como aqueles versados na técnica reconhecerãodiferentes tipos de meios de fluidificação podem serutilizados. Por exemplo, vapor ou gases inertes comoargônio, nitrogênio, dióxido de carbono, etc., podem serutilizados. Em um aspecto não limitador, alguma umidadepode ser adicionada aos gases inertes. Além disso, gases decombustão a partir de operações de combustão podem sersimilarmente utilizados como o meio de fluidificação, sedesejado. Não é essencial que o meio de f luidif icaçãoacrescente qualquer calor sensível ao material, como amidosendo submetido à dextrinização, uma vez que a seçãotubular do reator empregado com os conceitos na prática dapresente invenção é capaz de fornecer todo o calornecessário para efetuar eficientemente a reação.Embora a invenção tenha sido descrita com relaçãoa modalidades específicas da mesma, será entendido que elaé capaz de modificação adicional, e esse pedido pretendeabranger quaisquer variações, usos, ou adaptações dainvenção seguindo, em geral, os princípios da invenção eincluindo tais afastamentos a partir da presente revelaçãocomo compreendidos na prática conhecida ou costumeira natécnica à qual a invenção se refere e como podem seraplicados às características essenciais expostas acima, econforme compreendidos no escopo da invenção.
EXEMPLOS
Exemplo 1
O exemplo que se segue se baseia em um leitofluidifiçado contínuo para processar amido.
Como representado na figura 2, um leitofluidificado foi construído contendo 60 células em sériedispostas em 20 fileiras de três células por fileira. Cadacélula foi ligada às células anterior e seguinte via túneisem suas bases e cada célula tinha bordos livres isolados.Cada célula tinha duas varetas de filtro para fornecer seisvaretas de filtro por fileira. As varetas de filtro foramutilizadas para remover os pós de amido, miúdos, a partirdo gás de fluidificação antes do gás sair do reator. Cadaum dos seis varetas de filtro em cada fileira foi conectadoindividualmente por uma linha de escapamento à vareta defiltro adjacente na fileira seguinte para fornecer seiscolunas de 20 varetas de filtro ligadas. Periodicamente,cada coluna de varetas de filtro tinha gás passado de voltaatravés delas para limpar o amido acumulado a partir dassuperfícies de vareta.Em um conjunto de estudos de distribuição detempo de permanência, uma coluna de vareta de filtro em ummomento sofreu escapamento por cinco segundos no seguintepadrão que foi repetido a cada 3 0 segundos: coluna 1,coluna 3, coluna 5, coluna 2, coluna 4, coluna 6. Duranteescapamento, a pressão nas células escapadas aumentou emnão mais do que 3 polegadas de água (746,52 Pa). Simulaçõesde computador ilustraram que o aumento de pressão foisuficiente para acionar amido para fora da célula blownback e para dentro de células adjacentes. Esse experimentomostrou que embora o reator de leito fluidificado contínuotivesse 60 células, sua distribuição de tempo depermanência se parecia com aquele de uma unidade de 20células.
Em um segundo conjunto de estudos de distribuiçãode tempo de permanência, as seis colunas de vareta defiltro foram divididas em dois grupos - Grupo A consistiaem coluna 1, coluna 3 e coluna 5, e o Grupo B consistia emcoluna 2, coluna 4 e coluna 6. Cada grupo sofreuescapamento por 5 segundos enquanto o outro grupo sangravagás de fluidificação. A variação de pressão resultanteentre as células foi menor do que 1 polegada de água(248,84 Pa). A pressão em cada célula não variou como tempoporque cada célula tinha um sangramento de filtro e umalimpeza de filtro. A distribuição de tempo de permanênciacom essa rotina de escapamento foi equivalente a umaunidade de 49 células. Simulações de computador confirmaramque o desempenho aperfeiçoado foi devido ao equilíbrio depressão por toda a unidade.
Claims (16)
1. Aparelho de leito fluidifiçado contínuo parafluidificação de materiais sólidos, caracterizado pelo fatode que o aparelho compreende:(a) pelo menos duas células conectadas por umaabertura que permite que o material sólido seja introduzidona célula à jusante seguinte por fluido horizontalfluidifiçado;(b) um bordo livre isolado dentro de cada célula;(c) pelo menos duas varetas de filtro contidas nobordo livre isolado de cada célula;(d) pelo menos uma válvula de escapamento contidaem cada vareta de filtro;e em que uma diferença de pressãosubstancialmente constante é mantida entre cada bordo livreisolado.
2. Aparelho, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de que os materiais sólidos sãomateriais que são difíceis de fluidificar.
3. Aparelho, de acordo com a reivindicação 2,caracterizado pelo fato de que o material sólido éselecionado do grupo que consiste em amido, um materialcontendo amido ou um material derivado de amido.
4. Aparelho, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que oaparelho compreende pelo menos 10 células.
5. Aparelho, de acordo com a reivindicação 4,caracterizado pelo fato de que o aparelho compreende pelomenos 25 células.
6. Aparelho, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato deque a pressão substancialmente constante entre bordoslivres difere em não mais do que 1000 Pascal.
7. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que a pressão difere em não maisdo que 500 Pascal.
8. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que a pressão difere em não maisdo que 250 Pascal.
9. Aparelho, de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de que há pelo menos 2 válvulas deescapamento.
10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9,caracterizado pelo fato de que as válvulas de escapamentoativam em 0,25 segundo entre si.
11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10,caracterizado pelo fato de que as válvulas de escapamentoativam em 0,05 segundo entre si.
12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 11,caracterizado pelo fato de que as válvulas de escapamentoativam em 0,01 segundo entre si.
13. Método de inibir termicamente amidocaracterizado por compreender processar o amido no aparelhode qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12.
14. Método de dextrinizar amido, caracterizadopor compreender processar o amido no aparelho de qualqueruma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12 .
15. Método, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que adistribuição de tempo de permanência do amido é ajusta.
16. Método, de acordo com a reivindicação 15,caracterizado pelo fato de que ao menos 80% do amido saemem 2 0% de um tempo de permanência médio.
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