ES2564184T3

ES2564184T3 - Sistema de control de presión y temperatura de al menos un reactor químico para tratar biomasa

Info

Publication number: ES2564184T3
Application number: ES09825797.5T
Authority: ES
Inventors: Martin Hitzl
Original assignee: Ingelia SL
Current assignee: Ingelia SL
Priority date: 2008-11-17
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2016-03-18
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: EP2484437A3; EP2366757B1; EP2484437A2; US8475727B2; EP2366757A4; EP2366757A1; CA2740225C; RU2011114832A; BRPI0920395A2; CA2740225A1; RU2530114C2; WO2010055189A1; US20110225876A1; MX2011003823A

Abstract

La presente invención se refiere a un nuevo sistema de control detemperatura y presión de, al menos, un reactor químico, caracterizado por comprender, al menos, los siguientes dispositivos: a) un depósito con al menos un dispositivo de regulación de presión;b) un conducto de unión entre dicho depósito y el reactor; c) undispositivo de inyección de condensados al reactor. Asimismo, lainvención se refiere al uso de dicho sistema de control para el control de la presión y temperatura de al menos un reactor químico, siendo de especial aplicación para un reactor químico en el quetenga lugar una reacción de carbonización hidrotermal de biomasa.

Description

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DESCRIPCION

Sistema de control de presion y temperatura de al menos un reactor qmmico para tratar biomasa Campo Tecnico

El ambito de la presente invencion es un nuevo sistema de control de presion y temperatura de un reactor o de un conjunto de reactores qmmicos que contienen en su interior una solucion acuosa a una temperatura cercana a su temperatura de evaporacion a la presion del proceso. Dicho sistema de control se basa, fundamentalmente, en un conjunto de equipos en los cuales la propia agua de proceso se utiliza para la refrigeracion y estabilizacion de la temperatura a lo largo del reactor o conjunto de reactores del sistema.

Asimismo, una realizacion preferente de esta invencion se dirige a un proceso de carbonizacion hidrotermica, en adelante proceso HTC (del ingles, Hydrothermal Carbonization).

Estado de la tecnica anterior a la invencion

En los ultimos anos, debido a la necesidad creciente de satisfacer la demanda energetica de los pafses industrializados, se han desarrollado numerosos estudios dirigidos al fomento de nuevas fuentes de energfa, de naturaleza renovable, con objeto de disminuir los efectos ambientales adversos asociados al continuo desarrollo industrial.

De entre estas fuentes de energfa, una de las mas estudiadas ha sido, sin duda, la biomasa. En general, se entiende por biomasa la fraccion organica biodegradable presente en productos de ongenes diversos como, por ejemplo, residuos urbanos o derivados de industrias agncolas o forestales. Entre las principales alternativas que existen para su aprovechamiento energetico cabe destacar su utilizacion como materia de partida para la elaboracion de combustibles para el transporte, asf como su uso como fuente de calor y electricidad.

Si bien han sido muchas las tecnologfas desarrolladas en este campo en los ultimos anos, recientemente el equipo del Profesor Markus Antonietti, del Instituto Max Planck, ha presentado un nuevo metodo de aprovechamiento de la biomasa, de gran eficacia, basado en la carbonizacion hidrotermica de la misma (Elton Jacquot, J., “Back in Black: Using hydrothermal Carbonization to clean Emissions”, 2007, Science&Technology). Este proceso HTC consiste, basicamente, en someter una solucion acuosa de biomasa, en presencia de un catalizador, a temperaturas de 180 °C a 210 °C y presiones de 1 a 1,9 MPa (10 a 19 bar) obteniendose, al cabo de 4 a 24 h, un producto de estructura similar al carbon. Una vez activado, es un proceso espontaneo y exotermico que libera, aprovechando la alta estabilidad termodinamica del agua, hasta un tercio de la energfa almacenada en la biomasa en forma de carbohidratos.

Su principal ventaja, frente a otros metodos anteriormente descritos en la bibliograffa, es su gran sencillez. Al contrario que en otros procesos de carbonizacion, en los cuales es necesario llevar a cabo una etapa de alto consumo energetico para el acondicionamiento y secado previo de la biomasa (documento WO 2003/002690), la carbonizacion hidrotermica permite la utilizacion como materia prima de biomasa humeda, lo cual supone un importante ahorro en los costes de operacion.

Ya en el ano 1943, en el documento ES 0160612 se describfa un proceso de carbonizacion de la biomasa en presencia de agua, en el cual la biomasa, en este caso residuos vegetales, se introduda en unas retortas previamente humedecidas en las que se inyectaba vapor recalentado hasta alcanzar temperaturas de 180 °C a 220 °C y presiones de 0,2-1,01 MPa (2 a 10 atm). Este proceso se prolongaba de unas 6 a 20 h hasta alcanzarse las condiciones deseadas del producto final, siendo su principal inconveniente, frente a la presente invencion, la necesidad del mismo de operar de manera discontinua.

Anos mas tarde, en el documento US 4579562, se presentaba una nueva alternativa para llevar a cabo el proceso de carbonizacion. En este caso, la reaccion se llevaba a cabo en continuo, en un reactor de flujo en contracorriente, en el cual el solido entraba en contacto con un lfquido a temperaturas de 204 °C a 343 °C y presiones suficientemente elevadas como para impedir la ebullicion del agua.

A diferencia del sistema anterior, en el documento JP 2002/059118, la biomasa es introduda en un autoclave, en donde se sometfa a un tratamiento a altas presiones y temperaturas, en presencia de agua. Una vez transcurrido el tiempo requerido para su transformacion, el reactor se dejaba enfriar y se abna para extraer el producto final de la reaccion.

Una caractenstica comun a todos los metodos anteriormente descritos es la importancia de trabajar bajo unas condiciones estables y adecuadas de operacion.

Por ello, la presente invencion se dirige principalmente a un nuevo sistema de control de la presion y temperatura de un reactor o de un conjunto de reactores qmmicos basado, fundamentalmente, en un conjunto de equipos en los

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cuales la propia agua de proceso se utiliza para la refrigeracion del sistema. Mediante este sistema, de gran sencillez, es posible controlar la temperatura y presion del reactor o reactores sin necesidad de utilizar dispositivos moviles o superficies de intercambio de calor en su interior, los cuales presentan a menudo el inconveniente de acumular depositos indeseados en su superficie al cabo de un cierto tiempo de operacion. La eliminacion de dichos dispositivos moviles supondra un ahorro importante en cuanto al coste y el tiempo requeridos para su limpieza y mantenimiento.

Adicionalmente, el hecho de disponer de superficies de intercambio de calor en el interior del reactor o reactores del sistema implica que se generen gradientes de temperatura entre el refrigerante y el medio de reaccion, dificultando de ese modo el control de la temperatura del proceso. La presente invencion permite dar solucion a este problema, gracias a la utilizacion de la propia agua de proceso para disminuir la temperatura del reactor o reactores, logrando asf mantener uniforme la temperatura de la solucion acuosa de su interior. Ademas, al ofrecer la posibilidad de aprovechar el calor latente de evaporacion del agua, permite lograr una gran capacidad de refrigeracion del sistema, asf como una buena estabilidad de las condiciones requeridas de presion y temperatura.

Por otra parte, una ventaja adicional de la presente invencion es la posibilidad que presenta de recuperar parte de la entalpfa del vapor generado durante la reaccion, preferentemente mediante el uso de una turbina de vapor y/o mediante su condensacion en un intercambiador de calor, pudiendose aprovechar asf el calor liberado en dicho equipo para su uso en otros procesos o aplicaciones termicas.

Asimismo, una parte adicional del vapor generado podra utilizarse para precalentar la materia prima alimentada al proceso, tanto mediante su inyeccion directa a dicha materia prima, como de manera indirecta a traves de un intercambiador de calor.

Si bien el sistema de control presentado se puede aplicar a diversos tipos de reactores y procesos, se dirige especialmente al proceso HTC, tanto si el mismo se lleva a cabo en reactores de tipo continuo, como si se desarrolla en reactores de tipo discontinuo. Sera, por tanto, un objeto adicional de esta invencion un sistema de control de presion y temperatura especialmente adecuado para su aplicacion en un proceso de HTC, asf como el uso de este sistema para el control de la presion y temperatura de un proceso de HTC.

Descripcion de la invencion

La presente invencion se refiere a un sistema de control de temperatura y presion de al menos un reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa, que comprende, al menos, los siguientes dispositivos:

a) un deposito con al menos un dispositivo de regulacion de presion (en adelante, deposito de regulacion de presion);

b) un conducto de union entre el reactor o los reactores qmmicos y el deposito de regulacion de presion;

c) un dispositivo de inyeccion de condensados al reactor o reactores del sistema.

Gracias a estos dispositivos, es posible mantener el reactor o conjunto de reactores bajo unas condiciones adecuadas de presion y de temperatura durante todo el tiempo que dura el proceso.

El deposito de regulacion de presion (a) consiste en un deposito (1) independiente del reactor que comprende al menos una entrada (2) de gases y/o vapor situada, de manera preferente, en la parte inferior del deposito, sumergida en la zona de condensados. Asimismo, el deposito comprende al menos una entrada (3) y, al menos, una salida (4) de condensados, situada en su parte superior, al menos una salida de vapor y/o gases (5) con al menos un dispositivo de regulacion de presion. Este dispositivo de regulacion de presion consiste, en su realizacion preferente, en una valvula de regulacion de presion, que se encarga de controlar la presion del deposito de manera continua, en funcion del valor indicado por un sensor de presion ubicado en el mismo deposito o en su conducto de salida. Asf, la presion de dicho dispositivo de regulacion de presion se ajustara en funcion de la presion requerida para el proceso y, a su vez, su valor de consigna se ajustara al valor resultante de restar a dicha presion requerida para el proceso la presion de la columna de agua correspondiente al nivel de condensados del interior del deposito de regulacion de presion. Este valor de consigna podra ajustase electronicamente, en el caso de incorporar un regulador electronico, o bien de manera manual, en el caso de tratarse de un dispositivo mecanico.

Adicionalmente, en una realizacion preferente del deposito, este estara equipado, en su parte superior, con al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una valvula adicional de regulacion de presion, una sonda de presion, una sonda de temperatura, una sonda de nivel, una purga, una valvula de vacfo y una valvula de seguridad, asf como cualquier combinacion de los anteriores. Asimismo, podra disponer, en la zona de condensados, de una sonda adicional de temperatura.

Una vez se alcanza el valor de consigna de la valvula de regulacion de presion, dicha valvula comienza poco a poco a abrirse dejando paso al vapor y/o gases acumulados en el interior del deposito (1). De este modo, se consigue mantener siempre un valor estable de presion, comprendido dentro del intervalo de control de la valvula de regulacion. Por otra parte, y como consecuencia de la apertura de la valvula, se produce un gradiente de presion

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entre el reactor o reactores y el deposito de regulacion de presion (1), favoreciendose de este modo el flujo de vapor y/o gases entre estos equipos.

Tras la evacuacion del vapor y/o gases del deposito (1) a traves de su valvula de regulacion, estos se dirigen a continuacion a, al menos, un equipo de recuperacion de vapor, preferentemente, a uno o varios condensadores (6) y (7), los cuales estan disenados para trabajar a una temperatura suficientemente inferior a la del proceso. En una realizacion preferida en la que el proceso consiste en el proceso HTC, la temperatura en el condensador o condensadores sera como mmimo 20 °C y, preferentemente, 50 °C inferior a la temperatura del proceso.

Opcionalmente, de manera previa a la etapa de condensacion, podra utilizarse a su vez al menos una turbina de vapor (8) para aprovechar la entalpfa del vapor y/o gases generados durante el proceso en la generacion de energfa electrica. En este caso, la temperatura de operacion del condensador o condensadores sera lo mas proxima posible a la temperatura ambiente, lograndose asf un mejor rendimiento de la turbina o turbinas de vapor.

Asimismo, en una realizacion preferente de la invencion aplicada al proceso HTC, parte del excedente de vapor generado durante la reaccion se puede utilizar en la fase inicial de calentamiento del proceso. Asf, en una realizacion particular en la que el proceso HTC se lleve a cabo de manera discontinua en multiples reactores tipo autoclave, el vapor se inyectara directamente y de manera preferente en aquel reactor que se encuentre en su fase inicial de calentamiento. Si, de otra forma, el proceso se llevase a cabo de manera continua, el vapor podra aprovecharse para el calentamiento de la mezcla acuosa de biomasa alimentada al reactor, preferentemente, a traves de una superficie de intercambio de calor.

Por otra parte, durante el proceso de reaccion qmmica, es posible que se desprendan otros gases de proceso ademas del vapor de agua como, por ejemplo, metano y/o CO2. Debido a que la temperatura de condensacion de estos gases es muy inferior a la temperatura de condensacion del vapor de agua, una acumulacion de los mismos puede tener efectos negativos en el funcionamiento del (de los) condensador(es), asf como del (de los) intercambiador(es) de calor. Por tanto, con objeto de evitar una posible disminucion en la capacidad termica de dichos equipos, estos estaran equipados con al menos un dispositivo de evacuacion de aire y gases.

Tras la etapa de condensacion, el vapor condensado se dirige a, al menos, un deposito (9), presurizado o atmosferico, para almacenar los condensados, desde donde los condensados se transportan y reinyectan al deposito de regulacion (1) de presion en el momento en que en este se alcanza el nivel mmimo predeterminado de dichos condensados. Por el contrario, en el caso de superarse su nivel maximo, se procedera a la evacuacion de los mismos, a traves de una valvula de purga de condensados, hasta lograr de nuevo un valor que se encuentre dentro del intervalo de nivel que haya sido establecido. De esta forma, se conseguira mantener siempre el volumen de condensados del deposito entre un nivel mmimo y un nivel maximo, aproximadamente entre un 50 y un 90 % y, de manera preferente, entre un 60 y un 80 % de su volumen total.

Uno de los objetos principales del deposito de regulacion de presion (1) presentado sera, precisamente, el control de la presion del reactor o reactores de la instalacion (10), (11) y (12), con los cuales se comunica a traves del conducto de union (b). Este conducto de union (13) se disenara de manera que posea el tamano suficiente para evacuar la maxima cantidad de gases y/o vapor de agua desde la parte superior del reactor o reactores hacia el deposito de regulacion de presion (1).

A su vez, en una realizacion particular de la invencion, dicho conducto de union (13) estara equipado, adicionalmente, con al menos una valvula de corte disenada para abrirse lentamente una vez se haya alcanzado la presion minima requerida para el proceso. Dicha valvula puede suponer un ahorro considerable de la energfa consumida en el sistema al permitir la utilizacion de parte del vapor generado para facilitar el arranque del proceso llevado a cabo en un unico equipo de reaccion.

En el caso de tratarse de un conjunto de reactores conectados a un unico deposito de regulacion de presion (1), sera necesario disponer de una valvula de corte entre cada reactor y dicho deposito de regulacion (1), de manera que sea posible la desconexion individual de cada uno de ellos.

Una vez el flujo de vapor saturado y/o gases procedentes del reactor o reactores alcanza el deposito de regulacion de presion (1) y debido a que la desembocadura del conducto de entrada al deposito se encuentra, preferentemente, sumergida en la zona de condensados, se produce un efecto de calentamiento de dichos condensados siempre y cuando estos se encuentren a una temperatura inferior a la del vapor y/o gases de entrada y exista por tanto un gradiente de temperaturas entre ambas fases. De esta forma, se consigue alcanzar en el interior del deposito (1) una temperatura aproximadamente estable, lo mas cercana posible a las condiciones de temperatura del proceso.

En el caso concreto del proceso HTC, esta temperatura estara comprendida entre 170 °C y 230 °C, preferentemente entre 179,8 y 219,6 °C y mas preferentemente entre 191,6 y 209,8 °C, favoreciendose asf la continuidad de la carbonizacion al evitarse interrupciones indeseadas en el proceso como consecuencia de la necesidad de ajuste de la temperatura inferior del agua inyectada al reactor.

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Por su parte, la inyeccion al reactor o reactores de los condensados procedentes del deposito de regulacion (1) se lleva a cabo a traves del dispositivo de inyeccion de condensados (c), situado alrededor de la pared lateral y en la parte inferior de cada reactor. Este dispositivo de inyeccion puede comprender una o mas bocas de inyeccion, a traves de las cuales se introducen, en distintos puntos del equipo, los condensados procedentes del deposito de regulacion de presion (1).

La cantidad de condensados alimentada al reactor o reactores dependera del control de nivel del propio reactor(es), siendo por lo menos la necesaria para mantener una cantidad estable de solucion acuosa en su interior.

Asimismo, en una realizacion preferente de la invencion, el reactor o reactores estan provistos ademas, en su parte superior, de al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una valvula de seguridad, una sonda de presion, una sonda de temperatura, una sonda de nivel de llenado, una purga de aire y gases y una valvula de vado, asf como cualquier combinacion de los anteriores. Del mismo modo, para controlar la temperatura del proceso y evitar perdidas de calor indeseadas hacia el ambiente, el reactor o conjunto de reactores (10), (11) y (12), el conducto de union (13) y el deposito de regulacion de presion (1) estan aislados termicamente del exterior, preferentemente mediante lana de roca y chapa de aluminio.

Por ultimo, en la parte lateral y/o inferior del reactor o reactores se dispone de un dispositivo de inyeccion de vapor (14), que consiste de una o mas entradas para llevar a cabo la inyeccion de vapor al reactor o reactores, preferentemente, durante su arranque en fno. El vapor utilizado puede proceder tanto de una fuente externa, preferentemente una caldera de vapor (15), como del mismo deposito de regulacion de presion (1) si el sistema funciona en regimen nominal y el deposito recibe alimentacion desde otros reactores de forma que su presion sea superior a la del reactor en fase de arranque. En el caso concreto del proceso HTC, la cantidad inyectada sera la necesaria para alcanzar una temperatura de, al menos, 170 °C, preferentemente, 180 °C y, mas preferentemente, de al menos 195 °C.

Breve descripcion de las figuras

La figura 1 muestra un diagrama del sistema de control y presion aplicado a un conjunto de reactores.

La figura 2 representa la aplicacion del sistema de control de temperatura y presion a un reactor en funcionamiento continuo del proceso HTC.

Lista de referencias utilizadas en las figuras

Figura 1

1. Deposito de regulacion de presion

2. Entrada de gases y/o vapor

3. Entrada de condensados

4. Salida de condensados

5. Salida de vapor y/o gases

6. Condensador 1

7. Condensador 2

8. Turbina de vapor

9. Deposito de almacenamiento de condensados 1

10. Reactor 1

11. Reactor 2

12. Reactor 3

13. Conducto de union entre el reactor y el equipo de regulacion de presion

14. Dispositivo de inyeccion de vapor

15. Caldera de vapor 1

Corrientes

A. Fluido refrigerante

Figura 2

16.: Mezcla acuosa de biomasa y catalizador

17.: Equipo de precalentamiento

18.: Reactor vertical

19.: Caldera de vapor 2

20.: Inyector de vapor

21.: Deposito de regulacion de presion 2

22.: Inyector de condensados 1

23.: Inyector de condensados 2

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24. Inyector de condensados 3

25. Condensador 3

26. Deposito de almacenamiento de condensados 2

27. Producto final

Realizacion preferente de la invencion

Seguidamente, se presenta de manera detallada la descripcion de una realizacion preferida de la invencion, dirigida de manera particular al control de las condiciones de operacion de un proceso de HTC, haciendo referencia a la numeracion adoptada en la figura 2.

En el caso de aplicar el sistema de control de presion y temperatura anteriormente descrito a un proceso de HTC, dicho sistema comprendera adicionalmente, al menos uno de los siguientes equipos:

un equipo de presurizacion; un equipo de precalentamiento; un reactor vertical con inversion de flujo; un equipo de enfriamiento y un equipo de despresurizacion

El equipo de presurizacion consiste en un dispositivo para comprimir la mezcla de, al menos, biomasa, catalizador y agua de proceso (16), hasta alcanzar la presion necesaria para, por un lado, superar la presion en el interior del reactor y la contrapresion creada en la tubena de aporte al reactor y, por otro lado, evitar el retroceso del material y posibles fugas del agua de proceso. Este equipo consiste, de manera preferente, en al menos una valvula de compuerta y/o una bomba de presion y, de manera mas preferente, en al menos una bomba tipo piston o membrana, disenada para trabajar tanto en continuo como a intervalos cortos de tiempo, permitiendo de ese modo llevar a cabo la operacion de carbonizacion de manera continua.

Por su parte, el equipo de precalentamiento (17) consiste en al menos un intercambiador de calor, preferentemente un tubo presurizado de doble pared, en cuya parte interior se transporta la mezcla de, al menos, biomasa, catalizador y agua de proceso y, en la parte exterior, el fluido para el aporte de calor. Este fluido consistira, preferentemente, en aceite termico, agua o vapor de agua, mas preferentemente, en vapor de agua.

Opcionalmente, tal y como se indico anteriormente, existe la posibilidad de inyectar directamente vapor a la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a una presion superior a la del propio tubo de precalentamiento y, por lo tanto, superior a la presion del proceso. La fuente de dicho vapor puede ser tanto una fuente externa, preferentemente una caldera (19), como el vapor del propio proceso alimentado a traves de un compresor.

Por otra parte, la velocidad de transporte de la mezcla de biomasa y agua de proceso a lo largo del tubo de precalentamiento esta controlada por el equipo de presurizacion, y su diametro esta disenado de tal forma que el tiempo de permanencia de la mezcla en el mismo es de aproximadamente 20 a 60 minutos, preferentemente de 30 a 40 minutos, y la temperatura resultante a su salida, asciende, al menos, a 170 °C, preferentemente a mas de 175 °C y, mas preferentemente, a mas de 180 °C.

Respecto al reactor del sistema (18), dicho reactor consiste preferentemente en un deposito presurizado donde tiene lugar parte o la totalidad del proceso qmmico de carbonizacion. Dicho reactor se caracteriza por permitir un aporte continuo o a intervalos regulares de biomasa, asf como una extraccion continua, o a intervalos regulares, de la materia transformada sin que, por otra parte, se modifique la temperatura ni la presion de su interior. A su vez, el reactor consta de, al menos, cuatro zonas diferentes: un tubo de ascenso, una zona de gases, una zona de polimerizacion y una zona de maduracion:

i. El tubo de ascenso es la prolongacion del tubo de precalentamiento y ocupa la zona central del reactor desde el fondo hasta, aproximadamente, de un 50 a un 80 % de la altura del reactor, preferentemente de un 60 a un 70 %.

ii. A su vez, el reactor dispone de un tubo en su parte superior, que le permite comunicarse con el deposito de regulacion de presion (21), deposito mediante el cual se controla la presion del reactor. A traves de este tubo de union se consigue evacuar el vapor generado por el caracter exotermico del proceso de HTC, junto con el aire disuelto en el agua de proceso o los gases desprendidos por la descomposicion de la biomasa.

iii. Adicionalmente, el reactor puede estar equipado, en su parte superior, con al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una valvula de seguridad, una sonda de presion, una sonda de temperatura, una sonda de nivel de llenado, una purga de aire y gases y una valvula de vacfo, asf como cualquier combinacion de los anteriores.

iv. Alrededor de la desembocadura del tubo de ascenso y en la mitad superior del reactor se encuentra la zona de polimerizacion. El tiempo de permanencia de la biomasa en esta zona depende unicamente de su densidad y actividad termica y, por lo tanto, del estado de progreso del proceso de HTC. De esta forma, se permite una cierta variacion para los distintos compuestos de la mezcla, los cuales, pasado este tiempo, descenderan hacia

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la zona de maduracion.

v. La zona de maduracion se encuentra situada en la parte inferior del reactor cilmdrico, a continuacion de la zona de polimerizacion y alrededor del tubo de ascenso. Opcionalmente, podna ubicarse tambien en zonas exteriores del reactor, en caso de facilitarse las mismas condiciones de estabilidad termica que en dicho equipo.

vi. A su vez, en el lateral y en la parte inferior del reactor y del tubo de ascenso, se encuentran ubicadas una o varias entradas para llevar a cabo la inyeccion de vapor (20) durante su arranque en fno o en caso de posibles deficiencias termicas en su interior.

vii. Tambien se encuentran distribuidas, sobre la pared lateral del reactor, una o varias entradas para la inyeccion de condensados. El aporte de los mismos tiene como objeto homogeneizar la temperatura del reactor, asf como compensar el agua evaporada debido al caracter exotermico del proceso HTC.

viii. Del mismo modo, para controlar la temperatura de operacion y evitar perdidas incontroladas de calor hacia el exterior, el reactor se encontrara aislado termicamente, preferentemente mediante lana de roca y acabado exterior de chapa de aluminio.

Tras el reactor se encuentra ubicado el equipo de enfriamiento que comprende, preferentemente, uno o varios tubos en paralelo adicionales que contienen en su interior la mezcla caliente y presurizada proveniente del reactor y, en su exterior, un fluido refrigerante que puede ser aceite termico o agua presurizada, preferentemente aceite termico, que se encarga de enfriar dicha mezcla hasta la temperatura fijada como objetivo.

Finalmente, se encuentra el equipo de despresurizacion. Este equipo comprende, de manera preferente, dos compuertas o valvulas dispuestas en serie, que han de ser aptas para operar en las condiciones a las que se lleva a cabo el proceso. Adicionalmente, podra situarse un deposito 'flash', en medio de las dos compuertas o valvulas, con el objeto de absorber mejor el golpe de ariete durante la apertura de las mismas.

Es, asimismo, un objeto adicional de esta invencion el uso de un sistema de control de presion y temperatura segun ha sido anteriormente descrito para el control de un reactor donde se lleva a cabo un proceso de HTC.

Por ultimo, sera un objeto adicional de la invencion un metodo de control de presion y temperatura de un reactor donde se lleva a cabo un proceso de HTC, caracterizado por comprender al menos las siguientes etapas:

a) la presurizacion de una mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una presion de, al menos, 1 MPa (10 bar);

b) el precalentamiento de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador, con objeto de alcanzar una temperatura de entre 170 °C a 210 °C;

c) la alimentacion de la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido (20) donde tiene lugar el proceso de carbonizacion;

d) el enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, en un tubo de enfriamiento hasta valores inferiores a la temperatura de evaporacion a presion atmosferica, es decir, inferiores a 100 °C;

e) la despresurizacion y extraccion de la mezcla acuosa de biomasa carbonizada.

Adicionalmente, este metodo puede comprender asimismo una etapa de pretratamiento de la biomasa, previa a su alimentacion al sistema, con el objeto de lograr unas condiciones adecuadas para su procesamiento ademas de facilitar el proceso posterior de carbonizacion. En concreto, una realizacion preferente de esta fase adicional de pretratamiento comprendera, al menos, una etapa de triturado y una etapa de lavado de la biomasa:

a) En la primera etapa, la biomasa se triturara hasta conseguir un tamano maximo de partfcula que permita su paso posterior por el equipo de presurizacion. En el caso de tratarse, por ejemplo, de biomasa procedente de explotaciones agrarias o forestales, el tamano final sera inferior a 30 cm y, preferentemente, inferior a 15 cm;

b) a continuacion, con objeto de eliminar los contaminantes presentes en la biomasa, como pueden ser arenas, piedras, cristales, metales u otros elementos de mayor densidad que el agua, la biomasa se introducira en una piscina de lavado con agua, o una mezcla de agua con acido, durante un tiempo de 5 a 120 minutos, preferentemente de 10 a 30 minutos. Mediante este lavado, los contaminantes seran separados de la biomasa y descenderan hasta el fondo de la piscina, mientras que la biomasa quedara flotando en la superficie hasta incrementar su densidad por encima de la del agua debido a la absorcion de la misma. Otros contaminantes no aptos para el proceso HTC, como son los plasticos, y con tendencia a flotar tambien sobre el agua, habran de eliminarse mediante otros procesos de seleccion y separacion, tanto de manera natural, como a traves de centnfugas o sistemas de aire a presion.

Tras esta etapa previa de pretratamiento, la biomasa se almacenara en una tolva o recipiente desde donde se alimentara al proceso HTC. Una ventaja de este proceso es que es aplicable a cualquier tipo de biomasa, pudiendo consistir, por ejemplo, en residuos forestales, agncolas, de jardinena, lodos de depuradora, algas, residuos de industrias agncolas, residuos urbanos, etc. En el caso de que la biomasa consista en lodos de depuradora o residuos domesticos previamente seleccionados, esta etapa de pretratamiento no es necesaria, por lo que la biomasa se puede alimentar directamente al proceso HTC.

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Dicho proceso comienza con la mezcla de la biomasa seleccionada como materia prima con una cierta cantidad de agua de proceso. Dicha mezcla contendra, ademas, al menos un medio de aceleracion de la reaccion qmmica, que puede ser un catalizador organico o inorganico, preferentemente un acido y mas preferentemente acido cftrico o acido sulfurico. En dicho caso, el acido es anadido en una cantidad suficiente para obtener un pH en el interior del reactor de entre 4,5 y 6,5, preferentemente, entre 5 y 6.

Esta mezcla acuosa de biomasa y catalizador se somete a continuacion a una etapa de presurizacion hasta una presion que es, al menos, la necesaria para poder introducirla al tubo de precalentamiento (17) y, desde allf, al reactor. Esta presion sera superior a 1 MPa (10 bar) y, de manera preferente, superior a 1,3 MPa (13 bar). A continuacion, la mezcla acuosa de biomasa y catalizador se precalienta, con objeto de alcanzar la temperatura de inicio del proceso de HTC en su fase de monomerizacion. Esta etapa de precalentamiento puede llevarse a cabo en un intercambiador de calor, preferentemente un tubo de precalentamiento (17), en el cual la mezcla se calentara gracias al aporte de calor que reciba a traves de las paredes de la tubena, hasta alcanzar temperaturas de 170 °C a 210 °C, mas preferentemente de 180 °C a 200 °C. Adicionalmente, como alternativa o complemento al intercambio indirecto de calor llevado a cabo en el tubo de precalentamiento, existe la posibilidad de inyectar directamente vapor a la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a una presion superior a la del propio tubo de precalentamiento, hasta alcanzarse las temperaturas previamente mencionadas. Una vez alcanzadas dichas temperaturas, la mezcla acuosa de biomasa y catalizador es alimentada a un reactor vertical de flujo invertido (20) a traves de un tubo de ascenso, tubo en el que se inicia la monomerizacion o hidrolisis de la biomasa. Al mismo tiempo comienza la formacion de aceites, asf como el desprendimiento de gases, como por ejemplo metano o CO2, procedentes de la descomposicion natural de la biomasa. Estos gases ascienden a continuacion por el interior del tubo de ascenso hasta acumularse en la parte superior del reactor, desde donde son evacuados, conjuntamente con el vapor saturado, hacia el deposito de control de presion. En condiciones normales, el reactor se alimenta con la mezcla de biomasa y agua de proceso hasta alcanzar de un 60 % a un 90 %, preferentemente, de un 70 % a un 80 %, del volumen del reactor. Aunque la densidad de la biomasa puede variar y ser menor o mayor que la del agua, una vez iniciada la etapa de monomerizacion, los componentes derivados de la misma tienden a ascender y a flotar sobre la superficie. Este efecto permite a dichos compuestos mantenerse cerca de la lmea de flotacion, una vez han alcanzado la desembocadura del tubo de ascenso.

De esta forma, y en condiciones normales, a la salida de este conducto, el proceso de HTC ya ha comenzado, y los componentes resultantes de la primera fase de monomerizacion entran en una segunda etapa, de polimerizacion. En esta nueva fase, los aceites y otros componentes que se hayan formado durante la monomerizacion, polimerizan y forman una especie de resina o estado previo de carbon. Segun el tipo de biomasa y las condiciones del proceso, esta fase tiene una duracion de entre 1 y 6 horas, preferentemente entre 2 y 4 horas.

Por otra parte, al tratarse de un proceso de naturaleza exotermica, es importante controlar las condiciones de presion y temperatura, preferentemente dentro de los lfmites de proceso establecidos por el Max Planck Institut. En concreto, el intervalo de temperaturas preferente ha de estar comprendido entre 170 °C y 230 °C, preferentemente entre 179,9 y 219,6 °C y mas preferentemente entre 191,6 y 209,8 °C; mientras que, en el caso de la presion, el intervalo de preferencia ha de ser de 8 a 28 bar de presion absoluta, preferentemente de 1 a 2,3 MPa (10 a 23 bar), y mas preferentemente entre 1,3 y 1,9 MPa (10 a 19 bar). Estos valores dependeran tanto del tipo de biomasa como del producto que se quiera obtener.

El motivo por el que es necesario conseguir un buen control de las condiciones de proceso es el evitar alcanzar temperaturas de operacion excesivas a las que pudieran suceder procesos qmmicos adicionales al de HTC que puedan dar lugar a, por ejemplo, un exceso de CO2 que, si no se evacua adecuadamente, podna a su vez provocar una subida indeseada de la presion del interior del reactor.

Segun avanza el proceso de HTC, la densidad de los compuestos solidos formados va aumentando mientras que, al mismo tiempo, la actividad termica va disminuyendo. Como consecuencia de estos efectos se produce un descenso de los compuestos, dentro del agua de proceso, hacia la zona de maduracion.

Al inicio de esta tercera fase, las principales formaciones de carbono ya se han desarrollado, aunque aun se pueden desprender moleculas de H2O de las estructuras de carbono formadas. Al cabo de unas 2 a 12 horas, dependiendo del tipo de biomasa y de las condiciones de proceso, la actividad termica habra descendido practicamente a cero.

Una vez finalizado el proceso de carbonizacion, la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, se dirige a un tubo de enfriamiento, donde se reduce su temperatura hasta valores inferiores a la temperatura de evaporacion a presion atmosferica, es decir, inferiores a 100 °C. De esta forma, se evitan posibles evaporaciones instantaneas en el equipo de despresurizacion, situado a continuacion, a traves del cual se extrae, de manera controlada, la mezcla acuosa de biomasa carbonizada. Al cabo de un cierto tiempo, las partfculas solidas de dicha mezcla se depositaran en el fondo del recipiente de salida o bien se separaran de la fase lfquida mediante una operacion mecanica de separacion, preferentemente mediante centrifugacion o filtracion, pudiendose aprovechar en funcion de su pureza como combustible solido o bien como materia prima para otros procesos.

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En una realizacion particular de la invencion el carbon se utilizara como combustible solido, de manera preferente, comprimido en forma de granulos o briquetas. Como alternativa, el carbon obtenido podra ser utilizado como materia prima de otros procesos industriales, preferentemente, en la elaboracion combustible lfquido de hidrocarburos. Por ultimo, existe tambien la posibilidad de recortar el tiempo necesario para la maduracion. En este caso, el producto final sera una especie de turba que podra ser utilizada como fertilizante.

Finalmente, en una realizacion preferida de la invencion, parte del calor desprendido en la etapa de enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, resultante del proceso de carbonizacion hidrotermica, se podra recuperar en al menos una de las etapas demandantes de calor del sistema, preferentemente, en la etapa de precalentamiento de la mezcla de biomasa, catalizador y agua de proceso alimentada al sistema, etapa que se lleva a cabo, de manera preferida, en el equipo de precalentamiento (17) descrito previamente.

Ejemplo 1

A continuacion se presenta, a modo de ejemplo y con caracter no limitante, la aplicacion del sistema de control de presion y temperatura al proceso de HTC anteriormente descrito, de acuerdo a la numeracion adoptada en las figuras:

De este modo, una mezcla acuosa de biomasa, a la que se anade un catalizador como por ejemplo, acido cttrico o acido sulfurico, ajustando su concentracion hasta conseguir un valor de pH de 5,5 (16) se alimenta a un reactor vertical de funcionamiento continuo (18), una vez que se ha precalentado en el tubo de precalentamiento (17) hasta una temperatura de 80 °C.

A continuacion, durante el arranque en fno del proceso, una cierta cantidad de vapor a una temperatura de 195 °C se inyecta al reactor a traves de las bocas de inyeccion (20). Una vez se alcanza la temperatura y presion del proceso, aproximadamente 191 °C y 1,3 MPa (13 bar) de presion, la carbonizacion entra en sus fases de monomerizacion y polimerizacion, y se inicia entonces una etapa de liberacion de energfa al medio de reaccion por la naturaleza exotermica del propio proceso. Como consecuencia de la generacion de calor a nivel molecular de la biomasa, y debido a su contacto directo con el medio acuoso, parte del agua comienza a evaporarse, ascendiendo por el interior del reactor, hasta acumularse en la parte superior del mismo. Desde allf se enviara al deposito de regulacion de presion (21), junto con el resto de gases desprendidos durante el proceso, entre los que se encuentran, por ejemplo, metano, CO2 o aire.

De este modo, segun avanza el proceso, el vapor de agua generado va acumulandose, junto con el resto de gases, en la parte superior del deposito de regulacion (21). Como consecuencia de ello, la presion de su interior va incrementandose poco a poco hasta alcanzar un valor de aproximadamente 1,3 MPa (13 bar), equivalente al valor de consigna de apertura de la valvula de control de la que dispone el deposito (21).

Una vez abierta la valvula, los gases, junto con el vapor de agua, se extraen y se envfan a un equipo condensador (25), donde se enfnan hasta una temperatura de, aproximadamente, 90 °C. Los gases que no condensen a esta temperatura se evacuan al ambiente mediante el dispositivo de purga de aire y gases de que dispone dicho equipo.

A su vez, parte del vapor generado, entre el 20 % y el 50 % en funcion de la dilucion de la biomasa con agua, es aprovechado en el tubo de precalentamiento (17) para precalentar la mezcla acuosa de biomasa alimentada al reactor (18).

Tras la etapa de condensacion, los condensados se envfan al deposito de almacenamiento (26) abierto, ocupando de un 20 a un 90% de su capacidad. Desde allf, se reinyectaran en el deposito de regulacion de presion (21), cuando se alcance en dicho equipo un nivel de condensados inferior a un 60 % de su volumen.

Por otra parte, una cierta cantidad de estos condensados del deposito de regulacion (21) se alimentaran al reactor (18), a una temperatura de aproximadamente 190 °C, en caso de que en dicho equipo se alcance un volumen mmimo de aproximadamente un 70 %. De este modo es posible recuperar parte del agua evaporada durante el proceso exotermico de carbonizacion, al mismo tiempo que se consigue homogeneizar la temperatura en diferentes puntos del interior del reactor.

A su vez, gracias a este sistema de control, es posible llevar a cabo el proceso de manera continua y, al mismo tiempo, se logran mantener unas condiciones de presion y temperatura adecuadas y estables durante toda la operacion sin necesidad de disponer de equipos adicionales moviles o de superficies de intercambio de calor en el interior del reactor.

Asimismo, y adicionalmente, esta realizacion preferida de la invencion permitira recuperar parte del calor desprendido en la etapa de enfriamiento de la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, resultante del proceso de carbonizacion en la etapa de precalentamiento de la mezcla de biomasa, catalizador y agua de proceso aiimentada al sstema, etapa que se lleva a cabo en el equipo de precalentamiento (17).

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema de control de temperatura y presion de reactores de carbonizacion hidrotermica de biomasa, que comprende al menos un reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa, caracterizado por que el sistema de control de presion y temperatura comprende, ademas, al menos, los siguientes dispositivos:

a) un deposito (1), con una parte superior y una parte inferior, que comprende al menos un dispositivo regulador de la presion, al menos una entrada (3) y al menos una salida (4) para condensados, al menos una entrada (2) de vapor o gas situada en la parte inferior del deposito (1) y sumergida en una zona de condensados, y al menos una salida (5) de vapor o gas situada en la parte superior de dicho deposito (1), estando configurado dicho al menos un dispositivo de regulacion de la presion para abrir la al menos una salida (5) de vapor y/o gas cuando la presion del interior del deposito alcanza un valor de consigna establecido para controlar la presion y la temperatura de la reaccion;

b) un primer tubo de union para conectar la entrada (2) de vapor y/o gas del deposito con una salida de vapor y/o gas situada en la parte superior de cada reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa;

c) un segundo tubo para conectar la al menos una salida (4) de los condensados del deposito (1) con el al menos un reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10); y,

d) un dispositivo de inyeccion de condensados (14) para inyectar condensados desde el deposito (1) al interior de al menos un reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10).
2. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende ademas, al menos un sistema de recuperacion de la entalpfa del vapor y/o gases generados en cada reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10).
3. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 2, caracterizado por que el sistema de recuperacion de la entalpfa del vapor y/o gases generados en cada reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10) es una turbina (8).
4. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende, ademas, al menos un equipo de refrigeracion del vapor y/o gases generados en cada reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10).
5. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 4, caracterizado por que el equipo de refrigeracion es un condensador (6,7).
6. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende, ademas, al menos un deposito (9) para almacenar los condensados.
7. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con 1, caracterizado por que el deposito (1) comprende, ademas, al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en: una valvula de regulacion de presion, una sonda de presion, una sonda de temperatura, una sonda de nivel, una purga, una valvula de vacfo y una valvula de seguridad, asf como cualquier combinacion de los anteriores.
8. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que el conducto de union entre cada reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10) y el deposito (1) desemboca en dicho deposito por debajo de su superficie de condensados.
9. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende, ademas, un sistema de inyeccion de vapor a cada reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa (10).
10. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 1, caracterizado por que comprende, ademas, al menos un dispositivo externo generador de vapor.
11. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 11, caracterizado por que el dispositivo externo generador de vapor es una caldera o un compresor (15) de vapor.
12. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende, adicionalmente, al menos uno de los siguientes equipos:

a) un equipo de presurizacion;

b) un equipo de precalentamiento;

c) un reactor vertical con inversion de flujo;

d) un equipo de enfriamiento, y

e) un equipo de despresurizacion.

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13. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa es un reactor vertical con inversion de flujo (18).
14. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 13, en el que el reactor vertical de flujo invertido (18) comprende un tubo de ascenso que ocupa la zona central de dicho reactor vertical con inversion de flujo (18) desde el fondo hasta de un 50 a un 80 % de la altura del reactor.
15. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 14, en el que dicho reactor vertical de flujo invertido (18) comprende ademas al menos un dispositivo seleccionado de un grupo que consiste en una valvula de seguridad, una sonda de presion, una sonda de temperatura, una sonda de nivel de llenado, una purga de aire y gases y una valvula de vado, asf como cualquier combinacion de los anteriores.
16. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 14 o 15, en el que dicho reactor vertical de flujo invertido (18) comprende en el lateral y en la parte inferior del mismo y del tubo de ascenso, al menos una entrada (20) para inyectar vapor.
17. El sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con la reivindicacion 14, 15 o 16, en el que dicho reactor vertical de flujo invertido (18) comprende, en el lateral, al menos una entrada (22, 23, 24) para inyectar condensados.
18. Uso de un sistema de control de temperatura y presion de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores para controlar la presion y la temperatura de al menos un reactor de carbonizacion hidrotermica de biomasa.
19. Metodo de carbonizacion hidrotermica de biomasa cuya presion y temperatura se controlan mediante un sistema que tiene el aparato con las caractensticas tecnicas presentadas en las reivindicaciones 1 a 17, caracterizado por que dicho metodo comprende las siguientes etapas:

a) presurizar una mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una presion de, al menos, 1 MPa (10 bar);

b) precalentar la mezcla acuosa de biomasa y catalizador hasta una temperatura de entre 170 °C a 210 °C;

c) alimentar la mezcla acuosa de biomasa y catalizador a un reactor vertical de flujo invertido donde tiene lugar una reaccion de carbonizacion hidrotermica que da como resultado una mezcla de biomasa carbonizada junto, al menos, agua de proceso;

d) enfriar la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, agua de proceso, en un tubo de enfriamiento hasta valores inferiores a su temperatura de evaporacion a presion atmosferica;

e) despresurizar y extraer la mezcla acuosa de biomasa carbonizada.
20. Metodo de carbonizacion hidrotermica de biomasa de acuerdo con la reivindicacion 19, donde dicho metodo comprende ademas una etapa adicional de pretratamiento de la biomasa.
21. Metodo de carbonizacion hidrotermica de biomasa de acuerdo con la reivindicacion 20, donde dicha etapa de pretratamiento comprende, a su vez, al menos una etapa de triturado y al menos una etapa de lavado de la biomasa.
22. Metodo de carbonizacion hidrotermica de biomasa de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, donde dicho metodo comprende una etapa adicional de recuperacion de parte del calor desprendido en la etapa (d) para enfriar la mezcla de biomasa carbonizada junto con, al menos, el agua de proceso resultante del proceso de carbonizacion hidrotermica de la etapa (b) para precalententar la mezcla acuosa de biomasa y catalizador alimentada al sistema.