Sector técnico de la invención

La invención, que incluye un procedimiento y la instalación para su puesta en práctica, se aplica al campo del tratamiento de materia orgánica, incluyendo lodos de depuradoras de aguas residuales, residuos domésticos e industriales y cualquier otra materia. Encuentra especial aplicación como tratamiento previo a la digestión anaerobia de sólidos.

Antecedentes de la invención

En diferentes procesos industriales es preciso modificar la estructura física y química de los sólidos, para lo que se recurre a realizar un pre -tratamiento. En el caso particular de la digestión anaerobia de sólidos, la etapa de hidrólisis (solubilización, licuefacción) limita la cinética global del proceso. Para mejorar la cinética de la etapa de hidrólisis se aplican como tratamiento previo a la digestión anaerobia diferentes procesos físicos, químicos y biológicos, con la consiguiente mejora del proceso global de metanización. El proceso de hidrólisis térmica se basa en someter al sólido a elevadas temperaturas y presiones durante periodos de tiempo relativamente largos, normalmente superiores a 30 minutos. Posteriormente, aprovechando la elevada presión, la masa caliente puede someterse a un proceso de descompresión súbita o proceso flash, para así conseguir el llamado efecto de explosión de vapor que genera rotura de la estructura de los sólidos. Otros procesos utilizan cambiadores de calor para recuperar la energía de la masa caliente.

Todas las tecnologías que recuperan energía recirculando y condensando el vapor producido en la etapa de flash para calentar la alimentación que llega a la etapa de hidrólisis, utilizan vapor de un único nivel de presión. Como esta presión es la correspondiente a la de la cámara de flash, el vapor producido es de presión baja. Con esta configuración no es posible aprovechar toda la energía contenida en el vapor, lo que conduce a sistemas energéticamente ineficaces. Para disminuir el consumo energético se recurre a concentrar la alimentación, hasta valores muy elevados, con el consiguiente aumento de los costes de imputables a esa operación, que obliga a utilizar elevadas cantidades de productos químicos. La patente ES2570812A1, pretende resolver la ineficacia elevando la presión del vapor que sale de la cámara de flash utilizando un compresor mecánico que utiliza energía eléctrica y es de mantenimiento complejo, por comprimir vapor que contiene productos condensables e incondensables agresivos; además al utilizar energía eléctrica el sistema es energéticamente ineficaz. La patente ES2538176B 1 resuelve dicha ineficacia energética con un diseño conceptual radicalmente diferente, que le diferencia de todos los procesos e instalaciones existentes. En lugar de utilizar vapor de un único nivel de presión, utiliza vapor con dos niveles de presión.

Con esta configuración y de acuerdo con las leyes de la termodinámica es posible recuperar totalmente el contenido energético de los vapores, consiguiendo que las instalaciones sean energéticamente autosuficientes aun operando con concentraciones moderadas de sólidos. Partiendo de este hecho, todos los procedimientos e instalaciones que operan con explosión de vapor utilizan una secuencia de etapa de reacción térmica seguida de explosión de vapor. El procedimiento reivindicado utiliza una secuencia de etapas de explosión de vapor + etapa de reacción térmica + etapa de explosión de vapor. Este procedimiento mejora la cinética global del proceso, lo que conduce a instalaciones más compactas y con menores costes de instalación, operación y mantenimiento.

La presente patente deriva y es continuación de la patente ES2538176B 1, ampliando su campo de actuación. La evolución de los equipos de bombeo y la aparición de nuevos materiales permiten, en la actualidad, utilizar sistemas mecánicos de impulsión del fluido a hidrolizar fiables, de bajo mantenimiento y capaces de soportar las condiciones de operación. Ante esta nueva situación, la presente patente, manteniendo la característica fundamental de operar con recuperación total de la energía, con bajos tiempos de residencia y con secuencia de etapas explosión de vapor + reacción térmica + explosión de vapor, introduce la posibilidad de utilizar sistemas mecánicos de bombeo.

Explicación de la invención

El presente procedimiento para la hidrólisis térmica en continuo de materia orgánica consta, como mínimo, de las etapas: 1) alimentación, presurización escalonada e inyección secuencial de vapores de niveles de presión bajo, medio y alto; 2) primera etapa de hidrólisis mediante las operaciones consecutivas de explosión de vapor con producción de vapor de nivel de presión media y reacción térmica; 3) segunda etapa de hidrólisis consistente en explosión de vapor y producción de vapor de presión baja. En la práctica habitual de las plantas generadoras de lodo, la temperatura de entrada a proceso es la del ambiente, sin embargo, existe una tendencia al aprovechamiento de la energía de corrientes excedentarias. Esto implica un posible amplio rango de temperaturas de entrada que para la etapa 1 , que obliga a un diseño conceptual flexible del procedimiento y de las instalaciones.

En la etapa 1 , la materia orgánica a hidrolizar (5) se presuriza y calienta hasta alcanzar los valores de consigna previos a su entrada (11) a la etapa 2. La presurización se consigue mediante, al menos, los equipos mecánicos de impulsión del fluido (20) y (21). El calentamiento se consigue mediante la inyección de al menos vapores de presión baja (13), media (15) y alta

(16) . Para conseguir una adecuada calidad de mezcla fluido-vapor, se utilizan al menos mezcladores (17), (18) (19).

Los equipos mecánicos de impulsión del fluido (20) y (21) y cualquier otro que se decida instalar, se seleccionan entre cualquier tipo de bombas capaces de impulsar fluidos, incluidos los no newtonianos, y suspensiones de elevada viscosidad. En particular en una variante de la invención y gracias al escalonamiento de presiones pueden utilizarse bombas centrifugas, más baratas y con menores costes de mantenimiento que las bombas de desplazamiento positivo que utilizan otras tecnologías. Deben suministrar presiones comprendidas entre 1 y 10 barg y operar en el rango de temperaturas 20 - 180 °C.

Los mezcladores (17), (18), (19), se seleccionan entre equipos tanto estáticos como dinámicos. Teniendo en cuenta la gran variabilidad de posibles tipos de materia orgánica y de las condiciones de presión, temperatura y concentración de la alimentación (5), el procedimiento y la instalación deben ser flexibles. En una variante de la invención la corriente de salida (6) de la bomba (20) se divide en las corrientes (7) y (9). La corriente (7) previo paso por el mezclador

(17) se devuelve al tanque (2), por lo que la bomba (20) actúa simultáneamente como sistema de presurización y recirculación. En otra variante, mediante el cierre de la válvula (14) toda la corriente (6) de salida de la bomba (20) se lleva directamente al mezclador (18), rompiendo así el bucle de recirculación. La alimentación (5) y el vapor de baja (13) se conducen directamente al depósito (2). En una variante de la invención el mezclador (17) es un eyector que utiliza la masa recirculada por la bomba (20) como fluido impulsor. De esta forma además de conseguir una buena mezcla es posible rebajar la presión de la cámara (4) y la temperatura de la corriente de salida (24). Este hecho conduce a un menor consumo de energía en el proceso. De acuerdo con los balances de energía el fluido (10) no puede alcanzar temperaturas mayores de 170 °C, que la bibliografía marca como límite para que se desarrollen reacciones secundarias que conduzcan a la formación de compuestos recalcitrantes, no biodegradables y potencialmente tóxicos. En el mezclador (19) se logra la mezcla extremadamente rápida de vapor vivo (16) y fluido a hidrolizar (10), alcanzándose temperaturas que pueden llegar hasta 220 °C. El calentamiento se realiza en tiempos extremadamente cortos, inferiores a 5 segundos, de forma que se impide que puedan ocurrir dichas reacciones secundarias.

El fluido (11) a elevada temperatura y presión atraviesa el elemento (22) capaz de provocar la descompresión instantánea, con el consiguiente descenso de temperatura, generando una primera rotura de la estructura del sólido por mecanismo de explosión de vapor. En el tanque (3), se produce una corriente de vapor de presión media (15) que se conduce a la etapa 1. La fracción líquida que ha sufrido una primera rotura por explosión de vapor, se mantiene en el interior del tanque (3) un tiempo comprendido entre 1 y 15 minutos, permitiendo así que se realice el proceso de reacción de hidrólisis por temperatura. La corriente de materia orgánica (12) pre-hidrolizada se conduce a la etapa 3. En una variante en la que se opera con fango de depuradora de aguas residuales domésticas sin tratamiento previo, el tanque (3) se controla para que la temperatura del líquido contenido en su interior nunca pueda superar los 170 °C. En otra variante en la que se opera con fango previamente digerido o con materia orgánica de otro origen, la temperatura puede elevarse hasta valores superiores, siempre por debajo del límite de aparición de reacciones secundarias.

El fluido (12) cuya presión es la de equilibrio con la temperatura impuesta como consigna al tanque (3), se despresuriza al atravesar el elemento (23). En el tanque (4) se produce la separación de una corriente de vapor de presión baja (13), que se lleva a la etapa 1 y de la corriente de materia orgánica hidrolizada (24) que se lleva a digestión.

En una variante de la invención la presión del tanque (4) es ligeramente superior a la atmosférica, en el rango 0 - 0,2 barg. En otra variante y por efecto del mezclador (17), que en esta variante es un eyector que actúa como sistema de vacío, la presión en el tanque (4) puede mantenerse entre -0,5 y 0 barg.

Como consecuencia del procedimiento empleado, el sistema no sólo opera en continuo, sino que a diferencia de las tecnologías existentes opera además en régimen estacionario. Esto significa que una vez prefijadas las variables de operación (ej. caudales, niveles, presiones y

temperaturas), estas no varían con el tiempo. Este comportamiento conduce a procesos que operan con una mayor estabilidad, requieren sistemas de control más sencillos, son más flexibles y robustos y obtienen mejores rendimientos. Breve descripción de las figuras

La figura 1 representa un esquema de la instalación para la puesta en práctica de una instalación de acuerdo con la invención.

Explicación de una forma de realización

Siguiendo la figura 1 se describe el procedimiento según la invención que se reivindica y los medios que se utilizan para la realización de una instalación.

Los medios utilizados son: tanques o depósitos (2), (3), (4); equipos mecánicos de impulsión y presurización del fluido (20), (21); mezcladores fluido-vapor (17), (18), (19); elementos de expansión (22), (23). En la variante seleccionada se hidroliza fango de depuradora de aguas residuales, previamente concentrado y a temperatura ambiente (5). En el eyector (17) se produce la mezcla de alimentación (5), con vapor de presión baja (13) y con la corriente de recirculación (7). La corriente (8) de salida del eyector se devuelve al depósito (2), para así cerrar un bucle de recirculación. Todo el vapor de baja (13) condensa en el sistema. En función de las condiciones de diseño y de los caudales de recirculación que se impongan, la corriente (9) que sale del bucle de recirculación tiene una temperatura comprendida entre 70 y 100 °C y una presión con valores comprendidos entre 3 y 8 barg.

La corriente (9) tras la primera etapa de presurización y calentamiento recibe en el mezclador (18) el vapor de presión media (15). De acuerdo con los balances de energía, en las condiciones de operación la temperatura tras la incorporación de las corrientes de vapor de presión media y alta, se mueve entre 120 y 160 °C, sin alcanzar el nivel térmico correspondiente al desarrollo de reacciones secundarias. Este fluido (10) es presurizado por la bomba (21), alcanzando presiones comprendidas entre 8 y 20 barg. En el mezclador ultra-rápido (19) el fluido recibe una inyección de vapor vivo (16) con presión comprendida entre 10 y 22 barg, capaz de elevar su temperatura hasta 160-220 °C.

Tras este calentamiento ultra-rápido, el fango (11) de elevada temperatura y presión atraviesa el elemento de descompresión (22) y se escinde en el tanque (3) en una corriente de vapor de presión media (15) que se conduce a la etapa 1 y en una corriente de líquido (12). El líquido se mantiene en el tanque (3), durante un tiempo prefijado, que varía entre 1 y 15 minutos. Con esta secuencia la materia orgánica es primero sometida a un proceso de explosión de vapor y posteriormente a un proceso de reacción mediante proceso térmico. En consecuencia el tanque (3), cumple la doble función de tanque de flash y reactor. En el caso que se describe la temperatura en el interior del tanque (3) se mantiene en un valor de consigna prefijado y controlado en el rango 140 y 180 °C.

Tras permanecer en el tanque (3) durante el tiempo de reacción prefijado, la corriente (12) de materia orgánica pre-hidrolizada, con presión comprendida entre 3 y 9 barg, atraviesa el elemento de descompresión (23) y en el tanque (4), que actúa como cámara de flash se escinde en una corriente de vapor de presión baja (13) que se lleva a la etapa 1 y en una corriente (24) de fango hidrolizado que se lleva a digestión. La presión del tanque (4) puede variar entre - 0,5 y + 0,5 barg. En la variante que se describe y con la relación de líquido que recircula la bomba (20) la presión en el tanque (4) es -0, 1 barg y la temperatura de salida de la corriente (24) es de 97 °C.