ES2206715T3 - Sistema integrado de trampa para compuestos organicos volatiles en oxidacion regenerativa. - Google Patents

Abstract

OXIDADOR TERMICO REGENERATIVO EN EL QUE UN GAS, COMO POR EJEMPLO AIRE CONTAMINADO, SE HACE PASAR PRIMERO A TRAVES DE UN LECHO CALIENTE DE INTERCAMBIO TERMICO HASTA DESEMBOCAR EN UNA CAMARA DE OXIDACION (COMBUSTION) COMUNICANTE A TEMPERATURA ELEVADA Y, POR ULTIMO, A TRAVES DE UN SEGUNDO LECHO DE INTERCAMBIO TERMICO RELATIVAMENTE FRIO. EL APARATO INCLUYE UNA SERIE DE COLUMNAS DE RECUPERACION TERMICA AISLADAS INTERIORMENTE Y RELLENAS DE CERAMICA, QUE LLEVAN EN LA PARTE SUPERIOR UNA CAMARA DE COMBUSTION AISLADA INTERIORMENTE. EL AIRE DE PROCESO SE ALIMENTA AL OXIDADOR A TRAVES DE UN COLECTOR DE ADMISION QUE CONTIENE UNA SERIE DE VALVULAS DE CONTROL DE FLUJO ACCIONADAS HIDRAULICA O NEUMATICAMENTE (POR EJEMPLO, VALVULAS DE VASTAGO). EL AIRE SE DIRIGE ENTONCES HASTA LOS MEDIOS DE TERMOINTERCAMBIO QUE CONTIENEN CALOR ALMACENADO PROCEDENTES DEL CICLO ANTERIOR DE RECUPERACION. EL AIRE DE PROCESO SE CALIENTA HASTA CERCA DE LAS TEMPERATURAS DE COMBUSTION. LA COMBUSTION SE COMPLETA CUANDO EL FLUJO PASAA TRAVES DE LA CAMARA DE COMBUSTION, EN DONDE SE ENCUENTRAN SITUADOS UNO O MAS QUEMADORES. EL GAS SE MANTIENE A LA TEMPERATURA DE FUNCIONAMIENTO DURANTE UNA CANTIDAD DE TIEMPO SUFICIENTE PARA LA COMPLETA DESTRUCCION DE LOS CONTAMINANTES VOC. A PARTIR DE LA CAMARA DE COMBUSTION, EL GAS FLUYE VERTICALMENTE HACIA ABAJO, PASANDO POR OTRA COLUMNA QUE CONTIENE MEDIOS DE INTERCAMBIO TERMICO, ALMACENANDO DE ESE MODO CALOR EN DICHOS MEDIOS PARA UTILIZARLO EN UN CICLO SUBSIGUIENTE DE ADMISION, CUANDO INVIERTEN SU POSICION LAS VALVULAS DE CONTROL DE FLUJO. EL AIRE LIMPIO RESULTANTE SE DIRIGE, A TRAVES DE UNA VALVULA DE ESCAPE, Y UN COLECTOR DE SALIDA, LIBERANDOSE A LA ATMOSFERA A UNA TEMPERATURA LIGERAMENTE SUPERIOR A LA QUE TENIA EN LA ADMISION, O SE HACE RECIRCULAR DE NUEVO A LA ADMISION DEL OXIDADOR. UNA CAMARA INTEGRADA DE ESTE TIPO ATRAPA CUALQUIER CONTAMINANTE VOC QUE ESCAPE DURANTE EL CICLO, Y LO DEVUELVE DE NUEVO A LA ADMISION DEL OXIDADOR PARA SU TRATAMIENTO POSTERIOR.

Description

Sistema integrado de trampa para compuestos orgánicos volátiles en oxidación regenerativa.

Antecedentes del invento

El control y/o la eliminación de impurezas indeseables y de subproductos de diversas operaciones en industrias de manufactura está adquiriendo una considerable importancia en vista de la contaminación potencial que tales impurezas y subproductos pueden generar. Un enfoque convencional para la eliminación o, al menos, para la reducción de estos agentes contaminantes, consiste en oxidarlos por medio de incineración. La incineración tiene lugar cuando el aire contaminado, conteniendo suficiente oxígeno, es calentado a una temperatura suficientemente alta y por un período de tiempo suficientemente largo para convertir los compuestos indeseables en gases inocuos, tales como el dióxido de carbono y el vapor de agua.

En vista del alto coste del combustible necesario para generar el calor requerido para la incineración, resulta ventajoso recuperar el máximo calor posible. A tal fin, la Patente núm. 3.870.474 de EE.UU. revela un oxidador térmico regenerativo que comprende tres regeneradores, dos de los cuales están operativos en todo momento mientras el tercero recibe una pequeña purga de aire purificado para forzar la salida de allí de cualquier aire contaminado o no tratado, y lo descarga a una cámara de combustión donde se oxidan los contaminantes. Una vez completado el primer ciclo, el flujo del aire contaminado es invertido a través del regenerador desde el cual el aire purificado ha sido previamente descargado, con objeto de precalentar el aire contaminado durante su paso por el regenerador, antes de su introducción en la cámara de combustión. De esta forma, se consigue la recuperación del calor.

De forma similar, la Patente núm. 3.895.918 de EE.UU. revela un sistema de regeneración térmica en el cual una pluralidad de lechos intercambiadores de calor, no paralelos y espaciados, están dispuestos hacia la periferia de una cámara central de combustión de alta temperatura. Cada lecho intercambiador de calor está relleno con materiales cerámicos intercambiadores de calor. Los gases de escape de los procesos industriales se suministran a un conducto de entrada que los distribuye a secciones intercambiadoras de calor seleccionadas, dependiendo de si una válvula de entrada a una determinada sección está abierta o cerrada.

Sería deseable eliminar una de las tres secciones regenerativas sin sacrificar significativamente la eficacia y el rendimiento. No obstante, un inconveniente importante de los denominados oxidadores térmicos regenerativos "de dos cámaras" es la fuga al ambiente de gases no procesados durante el ciclo. Puesto que el gas que escapa no ha sido incinerado, dicha fuga reduce el rendimiento total del aparato.

Es por lo tanto un objeto de este invento proporcionar un oxidador térmico regenerativo de dos cámaras que minimice o impida la fuga de efluente sin purificar.

Es un objeto adicional de este invento proporcionar un oxidador térmico regenerativo de dos cámaras que minimice o impida la fuga de efluente sin purificar de un modo económicamente eficiente.

Es todavía otro propósito de este invento proporcionar un oxidador térmico regenerativo integrado y compacto.

Resumen del invento

Los problemas de la técnica anterior han sido resueltos por el presente invento, que proporciona un oxidador térmico regenerativo en el cual un gas, tal como aire contaminado, es hecho pasar primeramente a través de un lecho intercambiador de calor, caliente, a una cámara comunicante de oxidación (combustión) de alta temperatura, y después, a través de un segundo lecho intercambiador de calor relativamente frío. El aparato incluye varias columnas recuperadoras de calor rellenas de cerámica y aisladas internamente, que están rematadas por una cámara de combustión aislada internamente. El aire del proceso es introducido en el oxidador a través de un múltiple de entrada que contiene varias válvulas de control de flujo de funcionamiento neumático o hidráulico (tales como válvulas de seta). El aire es dirigido después hacia el medio intercambiador de calor que contiene el calor "almacenado" del ciclo de recuperación anterior. Como consecuencia, el aire del proceso se calienta y adquiere una temperatura cercana a la de oxidación. La oxidación se completa al pasar el flujo a través de la cámara de combustión, que contiene uno o varios quemadores. El gas se mantiene a la temperatura de funcionamiento por un período de tiempo suficiente para finalizar la destrucción de los VOC. El calor liberado durante el proceso de oxidación actúa como combustible reduciendo la aportación de calor del quemador. Desde la cámara de combustión, el aire fluye verticalmente hacia abajo a través de otra columna que contiene un medio intercambiador de calor, almacenando de este modo calor en el medio para utilizarlo en un ciclo de entrada subsiguiente, cuando las válvulas de control de flujo se inviertan. El aire limpio resultante es dirigido por medio de una válvula de salida, a través de un colector de salida, y es despedido a la atmósfera a una temperatura ligeramente superior que la de entrada, o bien es recirculado de nuevo a la entrada del oxidador. En la parte superior de la cámara de combustión está situada una cámara trampa para los VOC, que atrapa cualesquiera VOC que escapen durante el ciclo.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista en planta de un oxidador térmico regenerativo, de acuerdo con este invento.

La Figura 2 es una vista de perfil del oxidador térmico regenerativo de la Figura 1.

Y la Figura 3 es una vista en planta de una cámara trampa para los VOC, de acuerdo con el presente invento.

Descripción detallada del invento

Con la tecnología de oxidación térmica regenerativa, las zonas de transmisión de calor deben ser regeneradas periódicamente para permitir reponer el medio de transmisión de calor (generalmente un lecho de materiales cerámicos) en la zona de energía empobrecida. Esto se consigue alternando periódicamente la zona de transmisión de calor a través de la cual pasan los fluidos calientes y fríos. Específicamente, cuando el fluido caliente pasa a través de la matriz de transmisión de calor, el calor es transmitido desde el fluido a la matriz, enfriándose de este modo el fluido y calentándose la matriz. A la inversa, cuando el fluido frío pasa a través de la matriz caliente, el calor es transmitido desde la matriz al fluido, teniendo por resultado el enfriamiento de la matriz y el calentamiento del fluido. Consecuentemente, la matriz actúa como
almacén térmico, aceptando alternativamente calor del fluido caliente, almacenando dicho calor y, después, liberándolo hacia el fluido frío.

La alternancia de las zonas de transmisión de calor para proporcionar la regeneración de la matriz se consigue por medio de válvulas de conmutación del oxidador térmico regenerativo. En la realización preferida del presente invento, existe una válvula de conmutación por cada zona de transmisión de calor y, preferentemente, las válvulas de conmutación son válvulas de seta de tipo neumático, cuyo ciclo o frecuencia de conmutación es función del caudal volumétrico. Si bien las válvulas de conmutación proporcionan los medios para la regeneración de la matriz, el acto de regeneración en sí mismo tiene como resultado una emisión directa a la atmósfera de fluido no tratado, de corta duración, que origina una disminución de la eficiencia en la destrucción de los compuestos orgánicos volátiles (VOC) y, en los casos en que estén implicados VOC con punto de ebullición alto, potenciales problemas de opacidad. Para mejorar la eficiencia en la destrucción de los VOC y eliminar los problemas de opacidad derivados de la regeneración de la matriz, el fluido no tratado puede ser desviado lejos de la chimenea del oxidador y dirigido hacia un "contenedor retenedor" o cámara trampa para los VOC. La función de la cámara trampa es la de contener la escoria del fluido no tratado, la cual se genera durante el proceso de regeneración de la matriz, el tiempo suficiente para que la mayor parte de ella pueda ser reciclada lentamente (esto es, a un caudal muy bajo) volviendo hacia la entrada del oxidador para tratamiento. El fluido no tratado de la cámara trampa debe ser evacuado totalmente y reciclado volviendo hacia la entrada del oxidador, dentro del marco de tiempo asignado entre ciclos de regeneración de la matriz, ya que este proceso se debe repetir para todas las siguientes regeneraciones de la matriz.

Volviendo primero a la Figura 1, en ella se muestra en general, en 10, un oxidador térmico regenerativo de dos cámaras. Un ventilador 12 de tiro forzado y accionamiento directo dirige el gas a procesar a una canalización apropiada, a través de válvulas de seta neumáticas, 14 y 14', hacia (o fuera de) las columnas intercambiadoras de calor 15 y 15', regenerativas, rellenas de materiales cerámicos. Una cámara de combustión 16 (Figura 2), que tiene asociados medios de calefacción tales como uno o varios quemadores de gas, está en comunicación con las columnas intercambiadoras de calor regenerativas 15 y 15', y posicionada sobre cada una de ellas, y también está en comunicación con una chimenea de evacuación 17 que descarga los gases quemados a la atmósfera.

Integrada directamente sobre la cámara de combustión 16 hay una cámara trampa 18. El techo de la cámara de combustión 16 sirve también de suelo de la cámara trampa 18, dando como resultado un diseño integrado y compacto. Con preferencia, la forma de la cámara trampa 18 sigue el mismo contorno de la cámara de combustión 16, y por lo tanto, tiene el mismo ancho y longitud. La altura de la cámara trampa 18 es mayor que la de la cámara de combustión, puesto que depende de criterios diferentes. Específicamente, la altura de la cámara de combustión es función de la velocidad del fluido, mientras que la altura de la cámara trampa es función del volumen de fluido no tratado, de la caída de presión, de la temperatura del fluido no tratado y del tiempo de residencia. Por ejemplo, la altura de la cámara trampa puede ser de 1,83 m para una temperatura del fluido no tratado de 37,8ºC, y de 2,4 m para una temperatura del fluido no tratado de 176,7ºC. El volumen del fluido no tratado está, a su vez, directamente relacionado con el tamaño de la matriz intercambiadora de calor del oxidador, del volumen en vacío de la matriz, del tiempo de cambio de la válvula de conmutación y del tamaño de la válvula de conmutación que conecta la zona intercambiadora de calor a la canalización. Para asegurarse de que el tamaño de la cámara trampa es adecuado, es preferible que la cámara esté dimensionada para contener un volumen aproximadamente 1,5 veces mayor que el volumen del fluido no tratado. Una válvula de seta 30 de retorno para lavado por descarga y la canalización 31 para lavado por descarga, asociada, hacen recircular el fluido de la cámara trampa 18 de vuelta a la entrada del oxidador.

Además de su capacidad en volumen, el diseño del interior de la cámara trampa 18 es crítico para su capacidad para contener y devolver el fluido no tratado hacia la entrada del oxidador, para su tratamiento dentro del tiempo asignado entre los ciclos de regeneración de la matriz intercambiadora de calor. Cualquier volumen no tratado y no correctamente devuelto dentro de este ciclo, escapará a la atmósfera por la chimenea 17, reduciendo de ese modo la efectividad del dispositivo trampa y reduciendo, también, la eficiencia total de la unidad oxidadora.

Volviendo ahora a la Figura 3, en ella se muestra una vista en planta de la cámara trampa 18. Una pluralidad de placas divisoras 20a-20n, que corren de arriba abajo, están ubicadas en la cámara trampa 18 y la dividen para formar un diseño de flujo de fluido serpenteante o tortuoso. Es preferible que las placas divisoras creen un número par de trayectorias de flujo serpenteante, de forma que las conexiones de entrada y salida de la cámara trampa estén en el mismo lado de la unidad oxidadora, lo cual mantiene la salida de la cámara trampa 18 en el mismo lado de la unidad oxidadora que la chimenea 17 a la cual está conectada (puesto que debe estar a la presión atmosférica para permitir la evacuación del fluido contenido en ella), resultando así un diseño muy compacto. El número de trayectorias de flujo serpenteante está restringido no sólo por el tamaño físico de la cámara 18 sino, también, por la caída de presión resultante del fluido; es deseable tener una caída de presión del fluido mínima. De este modo, el número y el área de corte transversal de las trayectorias dentro de los diseños de flujo serpenteante se proyectan con preferencia para una caída de presión del fluido máxima de 498,12 Pa y para una velocidad del fluido de aproximadamente 11,9 m/s (desde 37,8ºC hasta 176,7ºC) con un correspondiente tiempo mínimo de residencia de 3 segundos. Preferentemente, se crean seis trayectorias de flujo serpenteante. Las trayectorias de flujo serpenteante alargan efectivamente la cámara, de modo que se crea un diseño de flujo bloqueado al incrementar el tiempo de residencia del fluido dentro de la cámara 18.

En funcionamiento, una vez que la cámara de combustión y la matriz intercambiadora de calor asociada de cada una de las dos columnas recuperadoras de energía son calentadas, hasta la temperatura requerida, por un medio tal como un quemador de gas en la cámara de combustión (la tubería 35 asociada al quemador se muestra en la Figura 2), los gases de escape del proceso no tratados son dirigidos hacia el oxidador para su tratamiento. Los gases de escape del proceso no tratados más fríos pasan primero a través de una de las columnas recuperadoras de calor y, al hacerlo, son precalentados por transmisión de calor por convección con el intercambiador de calor, de matriz más caliente. Es este precalentamiento, o transmisión de energía, el que proporciona el alto grado de rendimiento térmico asociado con la recuperación térmica regenerativa. Al salir de la matriz, en la cual la mayor parte de la oxidación ya se ha iniciado, el fluido del proceso entra en la cámara de combustión 16, con quemadores, donde la oxidación del fluido no tratado se completa. Al salir de la cámara de combustión 16, el fluido tratado pasa ahora a través de la segunda columna recuperadora de calor, donde el fluido más caliente transmite ahora calor de vuelta hacia la matriz más fría.

Periódicamente, los gases de escape del proceso no tratados deben alternar las columnas recuperadoras de calor, para mantener el rendimiento térmico por medio de la regeneración de la matriz intercambiadora de calor respectiva. Durante la regeneración de la matriz intercambiadora de calor, el flujo sin tratar (1) que reside dentro del volumen hueco de la matriz que justamente ha cambiado desde la matriz de entrada, que precalienta el gas del proceso, a la matriz de salida que se está regenerando en este momento; (2) que reside en el conducto que conecta la válvula de seta con la matriz, de la matriz de salida que está ahora en regeneración; (3) que reside en el múltiple de entrada a la válvula de seta del oxidador; y (4) que está pasando a través de las válvulas de seta durante el ciclo de conmutación de las mismas, es dirigido a la cámara trampa 18 para minimizar su escape a la atmósfera. Para poder sacar el flujo no tratado de la cámara trampa 18 para ser reciclado en el oxidador, la cámara trampa 18 debe estar a la presión atmosférica y, por este motivo, está en comunicación con la chimenea 17. El lado de succión del ventilador 12 de tiro forzado crea una presión de succión de 747,2 Pa en su entrada, la cual no solamente ayuda a transportar el flujo no tratado del proceso, desde su origen al oxidador, sino que también se utiliza para vencer el tiro de la chimenea y para evacuar el flujo no tratado de la cámara trampa 18 y devolverlo a la entrada del ventilador del oxidador. El diseño de flujo serpenteante alarga, en efecto, la cámara 18 y, de ese modo, aumenta el tiempo de residencia en la cámara 18 del fluido no tratado. Cuanto mayor sea la capacidad volumétrica de la cámara y mayor sea el tiempo de residencia, mejor será la relación reciclado-a-escape del fluido no tratado. El tiempo disponible para vaciar completamente la cámara trampa 18 es limitado y está dictado por el tiempo que transcurre entre las conmutaciones de la válvula para la regeneración de la matriz, el cual es, en líneas generales, de aproximadamente 240 segundos. El fluido no tratado de la cámara trampa 18 que no se recicla, escapa a la atmósfera a través de la chimenea 17, por la vía natural del tiro de la misma. El flujo no tratado de la cámara trampa 18 debe ser devuelto al oxidador a un caudal volumétrico pequeño (esto es, a un régimen de, aproximadamente, el 2% del caudal total de los gases de escape del proceso que entran en el oxidador), de forma que el tamaño y el consumo eléctrico del oxidador no sean afectados negativamente.

Claims (5)

1. Aparato para tratar componentes orgánicos volátiles de un gas de proceso, que comprende:

primera y segunda columna intercambiadoras de calor que contienen, cada una, medios de intercambio de calor, y que tienen una entrada de gas, una salida de gas y que están en comunicación con una cámara de combustión, teniendo dicha cámara de combustión una parte superior;

medios de calentamiento en dicha cámara de combustión, para producir o mantener una gama alta de temperaturas en ella;

medios de válvula en comunicación con dichas primera y segunda columnas intercambiadoras de calor, para dirigir alternativamente dicho gas de proceso a una u otra de dichas primera y segunda columnas intercambiadoras de calor;

una cámara trampa para recibir el gas de proceso no tratado cuando dichos medios de válvula son accionados, teniendo dicha cámara trampa una entrada en comunicación con dichos medios de válvula, y una salida, teniendo también dicha cámara trampa una parte inferior, siendo dicha parte inferior de dicha cámara trampa dicha parte superior de dicha cámara de combustión, incluyendo dicha cámara trampa medios para provocar el flujo del gas, desde dicha entrada a dicha salida, siguiendo entre ambas una trayectoria tortuosa; y

una chimenea abierta a la atmósfera y en comunicación con dicha salida de dicha cámara trampa.

2. El aparato de la reivindicación 1, en el que dichos medios de válvula dirigen dicho gas de proceso a una de dichas columnas, en función de la temperatura de dichos medios de intercambio de calor en ellas.

3. El aparato de la reivindicación 1, en el que dichos medios para provocar el flujo del gas desde dicha entrada a dicha salida, siguiendo una trayectoria tortuosa, comprenden una pluralidad de placas divisoras, que dividen dicha cámara trampa en una pluralidad de trayectorias de flujo serpenteantes entre dichas salida y entrada de la cámara trampa.

4. El aparato de la reivindicación 3, en el que existe un número par de dichas trayectorias de flujo serpenteantes.

5. Un proceso para tratar componentes volátiles de un gas de proceso, que comprende:

calentar de dicho gas, suministrando dicho gas a una primera columna intercambiadora de calor, que contiene un medio de intercambio de calor a una temperatura más elevada que la temperatura inicial de dicho gas;

dirigir dicho gas calentado a una cámara de combustión, en comunicación con dicha primera columna intercambiadora de calor;

completar la oxidación de dichos componentes volátiles de dicho gas calentado;

enfriar dicho gas, dirigiendo dicho gas a una segunda columna intercambiadora de calor, que contiene medios de intercambio de calor a una temperatura menor que la de dicho gas;

alternar periódicamente el flujo del gas no tratado del proceso entre dicha primera y dicha segunda columnas intercambiadoras de calor;

dirigir parte de dicho gas de proceso no tratado a una cámara trampa durante dicha alternancia periódica;

hacer que dicho gas siga, en dicha cámara trampa, una trayectoria tortuosa para hacer recircular por lo menos parte de dicho gas de proceso no tratado, dirigido a dicha cámara trampa, a dicha primera o a dicha segunda columna intercambiadora de calor.