ES2246071T3 - Procedimiento para realizar reacciones en lechos de particulas fluidizados. - Google Patents

Abstract

EN UN APARATO PARA LLEVAR A CABO REACCIONES EN UNA CAPA DE PARTICULAS FLUIDIZADAS QUE SE ENCUENTRAN SOBRE EL FONDO A TRAVES DEL CUAL FLUYE EL GAS DE FLUIDIZACION, SE COLOCA EN LA PARED DEL DISPOSITIVO POR ENCIMA DEL FONDO UNA O VARIAS BOQUILLAS SUPERSONICAS, MEDIANTE LAS CUALES SE INTRODUCEN UNO O VARIOS REACTIVOS. EN UN PROCEDIMIENTO PARA LLEVAR A CABO REACCIONES EN UNA CAPA DE PARTICULAS FLUIDIZADAS SE REALIZA UNA INTRODUCCION DE LOS REACTIVOS EN LA CAPA DE PARTICULAS FLUIDIZADAS MEDIANTE INYECCION TRANSVERSAL CON VELOCIDAD SUPERSONICA.

Description

Procedimiento para realizar reacciones en lechos de partículas fluidizados.

La invención concierne a un procedimiento para realizar reacciones en lechos de partículas fluidizados, en el que se insuflan reaccionantes en los lechos de partículas fluidizados.

Se conocen reacciones en lechos de partículas fluidizados en las que estos lechos son lechos estacionarios en los llamados reactores de lecho fluidizado o lecho turbulento o corrientes de partículas suspendidas en gas en reactores con lecho fluidizado circulante, en los que la corriente de partículas descargada del reactor es separada completa o parcialmente de la corriente de gas y reconducida a la zona inferior del reactor. Las partículas fluidizadas pueden ser reaccionantes, como, por ejemplo, en procesos de tostación, combustión de carbón, procesos de cloración, etc., y también catalizadores, como, por ejemplo, en procesos de craqueo, reacciones de hidrogenación, etc., o material inerte. En el gran número de reacciones realizadas a escala técnica en lechos de partículas fluidizados (FPS), en los que el medio de fluidización es gaseoso, los platos de afluencia, a través de los cuales se introducen los gases de fluidización en los reactores, representan frecuentemente un problema, ya que están expuestos a ataques tanto químicos como técnicos. Se origina un problema adicional en reactores grandes debido a que es difícil la distribución uniforme del gas sobre grandes superficies de afluencia y a que se imponen altas exigencias a la capacidad mecánica de soporte de los platos de afluencia durante paradas del funcionamiento. Por último, en el caso de una introducción lateral de partículas un mezclado radial insuficiente de las partículas puede conducir a zonas con condiciones de reacción diferentes dentro del FPS.

Se originan problemas especiales en la realización de reacciones en un FPS cuando dos o más reaccionantes gaseosos o líquidos deben ser introducidos por separado en un FPS, ya que éstos forman mezclas explosivas, por ejemplo al mezclarse fuera del FPS. Si se introducen uno o varios de estos reaccionantes a través de aberturas de la pared del reactor, se originan problemas debido a una distribución no uniforme de los diferentes reacionantes en el FPS. Para evitar esto se utilizan equipos complicados en los que los diferentes reaccionantes son introducidos por tuberías de alimentación separadas a través de los platos de afluencia.

Se conoce la utilización de oxígeno en reactores estacionarios o circulantes de lecho turbulento o lecho fluidizado para reacciones oxidantes, como, por ejemplo, la tostación de minerales sulfurados, el desdoblamiento térmico de ácidos sulfúricos residuales, la calcinación de arcilla o la combustión de fangos de clarificación. Mediante el empleo de aire como gas de fluidización se fluidizan las partículas de materia sólida, lo que significa que se mantienen en suspensión, y se alimenta simultáneamente oxígeno para las reacciones oxidantes con los reaccionantes. Las partículas fluidizadas pueden ser reaccionantes oxidables, materias inertes o catalizadores.

Asimismo, es conocido aumentar la capacidad de dispositivos y reducir la demanda de combustible en reacciones exotermas, como el desdoblamiento de ácido sulfúrico residual, empleando para ello, en lugar de aire comburente, oxígeno o aire enriquecido con oxígeno. Si la combustión de los combustibles se efectúa con quemadores (documento DE 2 506 438), esta forma de proceder no resulta problemática. Trae ventajas también el empleo de aire enriquecido con oxígeno en la realización de tales reacciones en reactores de lecho fluidizado (documento DE 3 328 708). Sin embargo, debido al enriquecimiento con oxígeno se imponen aquí límites relativamente estrechos al contenido de oxígeno, por un lado por la estabilidad de los materiales en la zona del sistema de las tuberías de alimentación para el aire de fluidización y, por otro lado, por un aumento de la temperatura en las proximidades inmediatas del plato de afluencia. Esto conduce a problemas respecto de la resistencia mecánica y del descascarillado de los platos.

En el documento US-A-3377350 se describe un procedimiento para la producción de melanina en un reactor de lecho fluidizado, en donde se atomiza urea fundida con un gas y se inyecta ésta en el lecho fluidizado a través de una tobera con al menos una velocidad supersónica.

En el documento EP-A-0610944 se describe una cámara de combustión con un lecho de partículas fluidizado en el que se introduce vapor con velocidad ultrasónica a través de toberas para lograr un mezclado de los productos con material retornado.

El cometido de la presente invención consistía en proporcionar un procedimiento para la realización de reacciones en lechos de partículas fluidizados con el que se eviten los problemas antes citados, como distribución uniforme en el FPS, estabilidad y capacidad de soporte químicas y mecánicas de los platos de afluencia, distribución no uniforme del gas e insuficiente mezclado radial de las partículas y condiciones de reacción diferentes en el FPS, y con el cual se pueda trabajar de manera eficaz y barata.

El problema se ha resuelto por medio de un procedimiento con las características descritas en la reivindicación 1.

Se ha encontrado sorprendentemente que los problemas antes citados pueden resolverse en amplio grado o en su totalidad por medio de una inyección transversal de reaccionantes con velocidad supersónica en el FPS.

Es ventajoso un reactor con plato de afluencia a través del cual se introduce un gas de fluidización en un lecho de partículas situado sobre este plato de afluencia con miras a generar un lecho de partículas fluidizado, caracterizado porque en la pared del reactor están dispuestas por encima del plato de afluencia una o más toberas supersónicas.

Los reactores consisten en reactores en los que se forma un lecho de partículas fluidizado sobre un plato de afluencia alimentando gas de fluidificación a través de este plato y en los que se inyectan radialmente o en ángulo con el radio reaccionantes con velocidad supersónica en este lecho de partículas fluidizado a través de toberas supersónicas transversales.

Las toberas supersónicas, llamadas también toberas Laval, son provistas preferiblemente, en caso necesario, de una camisa de refrigeración.

Las toberas supersónicas (toberas Laval) han encontrado una amplia aplicación en la técnica y se utilizan para acelerar flujos de gas desde velocidad subsónica hasta velocidad supersónica.

Una tobera o una pluralidad de toberas supersónicas pueden estar montadas en el perímetro del reactor.

Las toberas pueden estar dispuestas en uno o varios planos.

La distancia entre las toberas y el plato de afluencia es preferiblemente de al menos 100 mm y de manera especialmente preferida es de 250 a 600 mm.

El montaje de las toberas Laval se efectúa preferiblemente de modo que queden enrasadas con la pared interior del reactor o estén retraídas con respecto a ésta.

La inclinación de las toberas con respecto a la horizontal es preferiblemente de menos de 20º, en particular preferiblemente de 0º.

Las toberas supersónicas están dispuestas de preferencia radialmente o en ángulo con el radio.

Las dimensiones de la sección transversal más estrecha y de la sección transversal de salida de las toberas Laval se ajustan a la cantidad a inyectar, la temperatura y el número Mach de los reaccionantes que salen de la tobera y a la presión disponible de los componentes.

El diseño de las toberas se efectúa según las fórmulas para toberas Laval conocidas del experto.

La velocidad de salida de los reaccionantes de la tobera o toberas supersónicas es preferiblemente de al menos Mach 1, en especial preferiblemente de al menos Mach 1,5. La velocidad de salida es en especial preferiblemente menor que Mach 3.

Pueden inyectarse reaccionantes diferentes a través de toberas separadas.

Como reaccionante puede inyectarse de manera especialmente preferida oxígeno puro o aire enriquecido con oxígeno, preferiblemente con al menos 30% en volumen de O_{2}.

Según la invención, aparte del oxígeno, pueden alimentarse adicionalmente reaccionantes combustibles al lecho fluidizado a través de toberas separadas mediante inyección transversal con velocidad supersónica.

Debido al insuflado transversal de oxígeno y eventualmente de reaccionantes combustibles con velocidad supersónica se aumenta la energía de mezclado en el lecho de partículas fluidizado y, por tanto, se mejora el transporte radial de calor y de materias. Resulta de esto un perfil de temperatura uniforme a modo de cajón y una distribución de material homogénea, lo que conduce a una calidad uniforme del producto. La oferta adicional de oxígeno hace posible un incremento considerable de la capacidad de paso para una superficie de afluencia dada o una reducción del tamaño de la superficie de afluencia para la nueva construcción de un reactor de lecho fluidizado.

El procedimiento descrito de inyección supersónica transversal de oxígeno y eventualmente reaccionantes combustibles se puede utilizar ventajosamente en todos los procesos de oxidación en lechos fluidizados, por ejemplo en la tostación oxidante de minerales sulfurados o la gasificación de carbón, en el desdoblamiento térmico de ácidos sulfúricos residuales, sales, baños de decapado y lixiviación, en la calcinación de arcilla, la combustión de fangos de clarificación o residuos, en el reciclado de arenas viejas de fundición, en la regeneración de catalizadores y en el desdoblamiento de ácido clorhídrico. El procedimiento según la invención no queda limitado a los procesos anteriormente relacionados y citados solamente a título de ejemplo.

El procedimiento según la invención ofrece ventajas especialmente cuando el gas de fluidización y un reaccionante adicional deben entrar primero en contacto uno con otro en el FPS, tal como ocurre, por ejemplo, en procesos de calcinación. En este caso, se fluidiza con aire y se quema un combustible en el FPS. Hasta ahora, este proceso requería platos de afluencia complicados para introducir el aire y el combustible por separado a través del plato de afluencia por medio de una pluralidad de aberturas/toberas. El procedimiento según la invención hace posible aquí ahora la alimentación del combustible a través de relativamente pocas toberas supersónicas transversales y la introducción del aire de fluidización a través de un plato de afluencia sencillo con pequeña sección transversal, estando la temperatura de funcionamiento del plato de afluencia por debajo de la utilizada según el estado de la técnica. Debido a la alimentación del combustible al FPS con velocidad ultrasónica se produce un excelente mezclado radial de combustible, aire de fluidización y partículas fluidizadas. Debido a la inyección supersónica adicional de oxígeno se puede conseguir, además, un considerable incremento de la capacidad en un reactor prefijado.

Como procesos en los que -como anteriormente se ha descrito- se logran ventajas especiales debido a la inyección ultrasónica transversal de combustibles y eventualmente oxígeno, pueden citarse a título de ejemplo, aparte de los procesos de calcinación, el tratamiento térmico oxidante de minerales, el desengrasado de cascarillas de laminación y otras, la combustión de fango de clarificación o basura, la reducción parcial o completa de minerales, el desdoblamiento térmico de cloruros o sulfatos metálicos, la tostación oxidante de minerales sulfurados, etc.

El procedimiento según la invención ofrece ventajas también en la preparación de cloruros de titanio, silicio, zirconio y otros metales, en la que los platos de afluencia están expuestos a un ataque químico especialmente alto. Los platos de afluencia pueden, por ejemplo, mantenerse relativamente pequeños.

Otros procesos en los que repercute ventajosamente la invención son procedimientos para regenerar catalizadores, especialmente procedimientos para quemar sedimentos de carbono y otros. La enumeración de los procesos en los que ofrece ventajas el procedimiento según la invención se hace a título de ejemplo y no queda limitada a estos procesos.

Se explicará la invención con más detalle haciendo referencia a los ejemplos siguientes.

Ejemplo comparativo 1

Un reactor de lecho fluidizado con 4 m de diámetro en la zona del plato de afluencia (por ejemplo del tipo de parrilla de hendiduras) fue utilizado para el desdoblamiento térmico de sulfatos metálicos que se produjeron como una torta de filtrado con ácido sulfúrico al 68% en calidad de humedad. El desdoblamiento se efectúa a aproximadamente 1.000ºC, utilizándose pirita y coque como agente reductor y como combustible.

Se alimentaron al reactor 12,5 t/h de la torta de filtrado anteriormente citada, 2 t/h de pirita y 2,45 t/h de coque. A través de la parrilla (plato de afluencia) se introdujeron 20.000 m^{3}/h de aire. Se midió una temperatura de 980ºC a 100 mm por encima de la parrilla. La temperatura ascendió a 1.060ºC a 1.100 mm por encima de la parrilla y a 1.070ºC en el canal de salida de gas. El contenido de SO_{2} de los gases que salen del reactor era de 11,2% en volumen (referido a gas seco).

Ejemplo comparativo 2

Un reactor de lecho fluidizado con 4 m de diámetro en la zona del plato de afluencia (por ejemplo del tipo de parrilla de hendiduras) fue utilizado para el desdoblamiento térmico de sulfatos metálicos que se produjeron como una torta de filtrado con ácido sulfúrico al 68% en calidad de humedad. El desdoblamiento se efectúa a aproximadamente 1.000ºC, utilizándose pirita y coque como agente de reducción y como combustible.

Se alimentaron al reactor 20 t/h de la torta de filtrado anteriormente citada, 3,3 t/h de pirita y 3 t/h de coque. A través de la parrilla (plato de afluencia) se introdujeron 18.000 m^{3}/h (en estado normal) de aire 1.900 m^{3}/h de O_{2} (correspondientes a un 28,1% en volumen de O_{2} en el gas de fluidización). La potencia necesaria del motor del soplante con el cual se transportó la mezcla de aire/O_{2} ascendió a 142 kW, y la presión previa delante de la parrilla fue de 170 milibares. Se midió una temperatura de 995ºC a una de distancia 100 mm por encima de la parrilla. A una distancia de 1.100 mm por encima de la parrilla la temperatura ascendió a 1.060ºC y la temperatura en el canal de salida de gas del reactor fue de
1.065ºC.

De los productos de reacción sólidos (mezcla de óxidos metálicos + ceniza) se descargó aproximadamente un 85% como polvo con los gases de reacción y se retiró del reactor por abajo aproximadamente un 15% como material de lecho en forma de arena gruesa. El gas de reacción que salía del reactor contenía un 18,3% en volumen de SO_{2} (referido a gas seco).

Ejemplo comparativo 3

En el reactor según los Ejemplos comparativos 1 y 2 se montaron 6 racores de entrada de gas distribuidos uniformemente por el perímetro, a través de los cuales se introdujo oxígeno a una altura de 350 mm por encima de la parrilla. La introducción del oxígeno se efectuó a través de tubos de acero resistente al calor con 24 mm de diámetro interior, los cuales estaban montados de modo que terminaban en la superficie interior de la mampostería del reactor.

La alimentación de las materias sólidas torta de filtrado, pirita y coque se efectuó como en los Ejemplos comparativos 1 y 2. A través de la parrilla se alimentaron solamente 18.100 m^{3}/h de aire. La introducción de los 1.900 m^{3}/h de O_{2} se efectuó uniformemente a través de los 6 tubos de introducción. La potencia absorbida por el motor del soplante ascendió solamente todavía 124 kW para una presión previa de 155 milibares. La temperatura a una altura de 100 mm por encima de la parrilla ascendió solamente todavía a 920ºC. Los sitios de medida a una altura de 1.100 mm por encima de la parrilla mostraron temperaturas de 940 y 1.135ºC. En el canal de salida de gas la temperatura era de 1.070ºC.

Después de 2 horas de duración del ensayo se observaron en el material del lecho trozos sinterizados gruesos de hasta el tamaño de un puño. Dado que su proporción aumentó en el curso ulterior del ensayo, se interrumpió este ensayo después de 6 h. Los tubos desmontados de introducción del gas mostraron una fuerte formación de cascarilla en el extremo
interior.

Ejemplo 1

En los 6 racores de la envolvente del reactor se montaron conforme a la invención, en lugar de los tubos sencillos de introducción de gas (según el Ejemplo comparativo 3), unas toberas Laval que estaban envueltas por una camisa de refrigeración que era recorrida por agua de refrigeración. El extremo de las toberas estaba retraído en 20 mm con respecto a la pared del reactor.

A través de las tobera Laval (diámetro mínimo 10,2 mm) se introdujeron en total 1.900 m^{3}/h de O_{2} a una presión previa de 4,9 bares (absoluta) y una presión del reactor de 1 bar absoluto. La velocidad de salida calculada del oxígeno ascendió a Mach 1,7. La cantidad de aire y los datos de funcionamiento del soplante de aire correspondían a los del Ejemplo comparativo 2, y las cantidades de materias sólidas alimentadas correspondían a las de los Ejemplos comparativos 1 y 2. La temperatura ascendió a 920ºC a una altura de 100 mm por encima de la parrilla. En todos los sitios de medida situados a 1.100 mm por encima de la parrilla se midieron 1.060 a 1.065ºC y en la salida del canal de gas la temperatura fue de
1.065ºC.

El material retirado del lecho tenía uniformemente forma de arena sin terrones sinterizados. En un control del plato de la parrilla después de 8 meses de tiempo de funcionamiento éste mostró sensiblemente menos formación de cascarilla que después de una duración de funcionamiento comparable en las condiciones de funcionamiento convencionales correspondientes al Ejemplo comparativo 1. Por tanto, se garantizó especialmente también una distribución uniforme del aire de fluidización durante todo el tiempo de funcionamiento. Esto es importante para el proceso, ya que, con una distribución deficiente, pueden descargarse sulfatos metálicos junto con el polvo de óxidos metálicos.

Ejemplo 2

En el reactor equipado con las toberas Laval (según el Ejemplo 1) se introdujeron solamente 16.000 m^{3}/h de aire de fluidización. La presión del O_{2} delante de las toberas Laval (diámetro mínimo 13,2 mm) se incrementó hasta 7,8 bares absolutos, con lo que en total se introdujeron 4.000 m^{3}/h de O_{2}. La velocidad calculada de salida de las toberas ascendió a aproximadamente Mach 2. La demanda de potencia del motor del soplante cayó a 112 kW para una presión previa de 135 milibares. Se pudieron alimentar ahora al reactor 28 t/h de torta de filtrado, 4,5 t/h de pirita y 4 t/h de coque. La temperatura a 100 mm por encima de la parrilla subió hasta 940ºC y las demás temperaturas fueron iguales a las del Ejemplo
1.

En el material del lecho no se observaron sinterizaciones. La mezcla de óxidos metálicos descargada como polvo era homogénea. El contenido de SO_{2} de los gases de reacción era, con un 25,0% en volumen (referido a gas seco), un 6,7% en volumen más alto que en el Ejemplo 1, con lo que se facilitó considerablemente una transformación adicional en ácido sulfúrico. Frente al Ejemplo 1, la capacidad de desdoblamiento pudo incrementarse en un 40% pasando de 20 t/h a 28 t/h de torta de filtrado. Después de 3 meses de funcionamiento, las toberas Laval no mostraron un desgaste visible.

Ejemplo 3

Al igual que en el Ejemplo 1, se alimentaron al reactor 18.100 m^{3}/h de aire de fluidización. Análogamente al Ejemplo 2, se insuflaron 4.000 m^{3}/h de O_{2} a través de las toberas Laval con una velocidad de salida de Mach 2. La alimentación de la torta de filtrado pudo incrementarse hasta 28,8 t/h. Además, se alimentaron 6,2 t/h de pirita y 4,1 t/h de coque. El contenido de SO_{2} en los gases de reacción era de un 23,6% en volumen (referido a gas seco).

Mediante la alimentación de O_{2} según la invención a través de toberas Laval fue así posible, frente al Ejemplo comparativo 1, un aumento de la capacidad de desdoblamiento de la torta de filtrado hasta 144%.

Claims (6)

1. Procedimiento para realizar reacciones en un lecho de partículas fluidizado con introducción transversal de uno o varios reaccionantes en el lecho de partículas fluidizado, caracterizado porque la introducción de los reaccionantes en el lecho de partículas fluidizado se efectúa por inyección transversal con velocidad ultrasónica a través de toberas ultrasónicas, y como reaccionante se alimenta por inyección ultrasónica transversal al lecho de partículas fluidizado uno de los gases oxígeno puro, aire enriquecido con oxígeno, gas con contenido de oxígeno o cloro.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el reaccionante es oxígeno o un gas con contenido de oxígeno y porque se introducen combustibles con velocidad ultrasónica en el lecho de partículas fluidizado a través de toberas ultrasónicas adicionales.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque la velocidad de salida de los reaccionantes desde las toberas ultrasónicas asciende a al menos Mach 1,5.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el reaccionante es oxígeno o un gas con contenido de oxígeno y porque la fluidización del lecho de partículas se efectúa por medio de aire o aire enriquecido con oxígeno introducido a través del plato de afluencia.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque en el procedimiento están montadas en el perímetro del reactor una o una pluralidad de toberas ultrasónicas o bien las toberas ultrasónicas están dispuestas en uno o varios planos.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se inyectan reaccionantes diferentes a través de las toberas.