ORGÁNICOS O INORGÁNICOS

ESTADO DEL ARTE

La condensación de vapores orgánicos o inorgánicos generados en operaciones como destilación de madera (pirólisis), carbón, petróleo u otros materiales orgánicos, así como en operaciones tales como vapores de metales como magnesio o cadmio, o compuestos inorgánicos volátiles como tetracloruro de titanio (TiCI ), entre otros, requiere en la mayoría de los casos de una alta velocidad de enfriamiento de estos vapores, para evitar problemas asociados a reacciones indeseables que pueden ocurrir si la velocidad de enfriamiento no es lo suficientemente rápida.

Uno de los problemas centrales al enfriar vapores orgánicos o inorgánicos a alta temperatura, es el de retirar la mayor cantidad de calor posible de estos en un corto tiempo, lo cual implica tanto el calor sensible contenido en ellos (función de la masa y calor específico) como el calor latente de condensación, generalmente sobre un orden de magnitud mayor por unidad de masa que el calor sensible de estos.

Estas condiciones requieren, por consiguiente, contactar los vapores calientes con otro gas, un líquido o una superficie de menor temperatura durante un corto periodo de tiempo, generalmente solo segundos, para enfriarlos hasta su temperatura de condensación o inferior. Este problema es particularmente importante cuando se requiere enfriar vapores producidos en procesos como pirólisis de productos orgánicos tal como madera, corteza de árboles, residuos forestales, etc., los que requieren de una alta velocidad de enfriamiento para bajar su temperatura desde 350 - 600 ^Q C hasta 40 - 60 ^Q C en uno o dos segundos, para evitar la degradación química del biocombustible producido por condensación de estos vapores.

i Se han propuesto y también ensayado una gran cantidad de métodos de enfriamiento rápido de vapores orgánicos e inorgánicos. Sin embargo, sobre el 95% de estos procesos o equipos emplean superficies frías (intercambiadores de calor) en la forma de paredes, tubos, haces de tubos, tubos concéntricos o tubos de doble pared. El elemento de enfriamiento, casi sin excepción, es agua (aproximadamente bajo 30 ^Q C). En casos excepcionales se han empleado líquidos refrigerantes indirectos como amoníaco, freón y otros, además se ha propuesto emplear nitrógeno líquido a -196 ^Q C, sin embargo, en muchos casos éste diluye o altera la composición del biocombustible o del condensado generado.

ESTADO DE LA PROPIEDAD INDUSTRIAL

Se realizó una búsqueda en las principales oficinas de patentes de invención a nivel mundial y nacional, algunos documentos encontrados que guardan relación con la presente tecnología se detallan a continuación:

Solicitud de patente estadounidense US2009085234 (A1 ), 2009: "Method and apparatus for cooling pyrolysis effluenf.

La solicitud de patente protege un proceso y un aparato para el enfriamiento de efluentes gaseosos desde hornos de pirólisis de hidrocarburos. El aparato comprende: una pared interna para contactar el efluente, incluye una apertura a lo largo del perímetro del agujero; una pared exterior coaxial a la pared interna; una cavidad anular externa a la pared interna, que incorpora al menos una parte de la pared exterior, que va conectada a la zona de apertura del perímetro; un canal extendido periférico alrededor del perímetro de la pared interna, este canal provee una ruta que conecta de manera fluida dicha cavidad con la apertura del anillo perimetral conectado a lo largo del perímetro de la pared interior; y un líquido de enfriamiento. Solicitud de patente estadounidense US2007007175, 2007: "Method for processing hydrocarbon pyrolysis effluenf.

La tecnología protege un método para tratar los efluentes desde unidades de proceso de pirólisis de hidrocarburos, con recuperación de calor y remoción de alquitrán. El método comprende el paso del efluente gaseoso por al menos un intercambiador de calor, para enfriar los efluentes gaseosos y generar vapor de alta presión. Luego, el efluente se hace pasar por al menos un intercambiador de calor secundario con una superficie de intercambio a una temperatura tal que parte del efluente gaseoso condense in situ, así también el remanente del efluente gaseoso condense. El alquitrán condensado es removido desde el efluente en al menos un separador.

Modelo de utilidad presentado en la Oficina China de Patentes CN2814300(Y), 2006: "Fast cooling boiler with new structure".

La tecnología es referida a un equipo de enfriamiento que comprende: un distribuidor; una placa de tubo inferior y otra superior; un cuerpo de depósito; y un tubo conector de la salida del gas de pirólisis desde la zona inferior hacia la superior. El distribuidor es un cuerpo cilindrico con una sección de cono invertido de transición; la entrada de éste es conectada con la salida de una caldera de craqueo, y otra salida es conectada con el plato de tubo inferior. Este sistema presenta tiempos cortos de residencia del gas de pirólisis; rápido enfriamiento; evita vórtices; gran intercambio de calor; baja caída de presión del gas; bajo consumo de material ; estructura simple; ahorro de espacio y bajo costo, además restringe las reacciones secundarias del gas de pirólisis.

Patente de invención estadounidense US7101463 (B1 ), 2006: " Condensation and recovery of oil from pyrolysis gas".

La invención reivindica un sistema y un proceso para la recuperación de aceites desde la pirólisis de materiales que contienen hidrocarburos así como gomas de neumáticos. El sistema utiliza un par de torres empacadas ubicadas secuencial mente para recuperar al menos el 95% del aceite contenido en los gases de pirólisis. La primera torre opera sobre el punto de rocío del vapor de agua en los gases de pirólisis para asegurar que no condense el agua, y obtener primeramente la fracción de aceites con alto punto flash cercano a 60 ^Q C o superior y una fracción primaria de vapor que contiene aceites adicionales, gases combustibles y vapor de agua. La fracción de vapor es alimentada a una segunda torre que opera bajo el punto de rocío del vapor de agua, y donde el aceite presenta un punto flash de 34 ^Q C o menos; se provee de una fracción secundaria de vapor con contenido de gases combustibles.

Patente de invención WO0056841 (A1 ), con prioridad en Estado Unidos (US19990275846): "Quenching apparatus".

La invención protege un aparato para el enfriamiento de gas, y una zona de enfriamiento asociada a una corriente de gas proveniente de un horno de pirólisis. Dicho aparato comprende: un primer medio conductor del gas desde la salida superior hacia una ubicación inferior; un medio obstructor de flujo localizado dentro de dicho medio conductor para la formación de una zona de baja presión; un segundo medio conductor que se intercepta con el primero tangencial mente en un mismo ángulo, este conducto está adaptado para inyectar un líquido de enfriamiento tangencial mente a dicho flujo de gas caliente, a una presión suficiente que permita un flujo circular alrededor de la superficie interior del primer medio conductor, llenar la zona de baja presión y contactar la cara inferior de dicho medio de obstrucción; y un medio de interfase en dicha cara inferior del flujo de obstrucción para proveer una interfase entre la corriente de gas caliente y el líquido de enfriamiento.

Patente de invención WO9312200 (A1 ), con prioridad en Estado Unidos (US19910805229): "Method for simplifying quench and tar removal facilities in steam crackers".

Se resguarda un método para el enfriamiento de efluentes desde unidades de pirólisis de hidrocarburos, y la remoción de aceites pesados y alquitranes para evitar su acumulación en el agua de enfriamiento recirculada. El efluente gaseoso de pirólisis es inicialmente enfriado a una temperatura indicada o bajo el punto de rocío del agua a presión; luego el efluente se hace pasar por un estanque de separación, para retirar algunos aceites pesados y alquitranes condensados. Tras el enfriamiento inicial, el efluente se conduce a una torre de enfriamiento convencional y se reduce la temperatura hasta que el efluente sea químicamente estable, lo que ocurre por contacto directo con el líquido de enfriamiento (agua) introducido en dicha zona.

Patente de invención japonesa JP62223294, 1987: "Apparatus for cooling pyrolysis gas".

Describe un aparato para el enfriamiento de gases de pirólisis, que incorpora una primera cañería de entrada del gas de pirólisis directa a cada tubo de un horno multi-tubular de pirólisis de hidrocarburos; el gas se inserta en la parte central de la cañería de entrada; un segundo gas de pirólisis se ubica en la zona externa de la primera tubería de entrada del gas de pirólisis y que es concéntrica con ésta; y el gas de refrigeración se incorpora entre la primera y segunda entrada del gas de pirólisis. La segunda tubería de entrada del gas está conectada con la primera entrada en la parte superior, y está provista en la parte inferior de una zona de salida del gas de pirólisis enfriado.

Patente de invención estadounidense US4714109 (A), 1987: "Gas cooling with heat recover .

La patente protege un proceso de enfriamiento rápido de un gas con recuperación simultánea de calor, que se realiza por contacto directo del gas con sólidos finamente divididos, y luego se recupera el calor de los sólidos mediante el paso de estos a través de al menos dos estanques, donde los sólidos se mantienen como un lecho fluidizado. El efluente de pirólisis, que se encuentra a una temperatura superior a 1200°F, puede ser rápidamente enfriado a la vez que se provee de una efectiva recuperación de calor. Donde el calor de los sólidos se recupera en al menos dos zonas de generación de vapor. Patente de invención ES8204155A1 con prioridad en Estados Unidos (US19790106060, 1979): "Un procedimiento para recuperar calor del efluente de un reactor de pirólisis de hidrocarburos".

La invención protege un procedimiento para enfriar rápida e indirectamente un efluente en un primer enfriador al menos a 540 ^Q C; hacer pasar el efluente a un segundo enfriador que comprende una sección de modelador de enfriamiento rápido directo que comunica con una sección de enfriamiento rápido indirecto, proporcionando transferencia de calor al agua y poniendo en contacto el primer efluente en la sección del modelador con un líquido de enfriamiento para producir una mezcla al menos a 400 ^Q C; luego enfriar rápida e indirectamente dicha mezcla en el segundo enfriador con producción simultánea de vapor de agua a alta presión, y producir una mezcla al menos a 370 ^Q C; y hacerla pasar a una zona de destilación fraccionada; luego separarla, y hacerla pasar a un intercambiador de calor; recuperar el calor de la corriente de extracción; producir una corriente de extracción más fría; y finalmente, devolver al menos una parte de la corriente de extracción más fría a la zona de destilación.

Patente de invención estadounidense US3907661 , 1973: "Process and apparatus for quenching unstable gas".

La tecnología resguarda un proceso para el enfriamiento de productos de pirólisis a una temperatura superior a 1400 ^Q F, pasando a través de una zona de enfriamiento hasta que el líquido es introducido para formar una película líquida continua en la pared de la zona de enfriamiento, para disminuir a una temperatura estable del producto bajo 700 ^Q F. También se protege un aparato que incluye una zona cilindrica de enfriamiento con medios para introducir líquido de enfriamiento contra las paredes del mismo para formar la película líquida abrupta.

Patente de invención estadounidense US4151217 (A) con prioridad en japón (JP19720066321 ): "Method of cooling cracked gases of low boiling hydrocarbons". La invención tiene como propósito evitar la formación y acumulación de coque y otros productos derivados de olefinas producidas por la pirólisis de hidrocarburos. Esto se logra mediante el mantenimiento de la parte de transferencia que se extiende desde la zona de salida de un tubo de reacción de pirólisis de un dispositivo multitubular de enfriamiento a una temperatura bajo 450 ^Q C. Esta técnica es especialmente aplicable para la fabricación de olefinas por pirólisis de hidrocarburos, que son gaseosos a temperatura ambiente bajo presión atmosférica o hidrocarburos líquidos que tienen un punto de ebullición promedio volumétrico bajo 90 ^Q C, a temperaturas entre 750-900 ^Q C, seguido por el enfriamiento en un aparato de enfriamiento multi-tubular.

Los documentos anteriormente citados, no interfieren ni reproducen completamente nuestra tecnología, por lo que no se verían afectados los requisitos de novedad y nivel inventivo.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presenta tecnología corresponde a un equipo de enfriamiento rápido (flash) de vapores que utiliza un sistema combinado de enfriamiento compuesto por:

- un gas frío del tipo preferente, gas no condensable de pirólisis de productos orgánicos, específicamente, de pirólisis de madera, residuos forestales o productos orgánicos, carbón, petróleo, metales o compuestos inorgánicos, o un gas inerte como nitrógeno u otro a temperatura inferior a 60 ^Q C;

- un líquido, del tipo preferente, bio-combustible líquido obtenido de la pirólisis de productos orgánicos, madera o residuos forestales;

- agua u otro refrigerante líquido o gaseoso para hacerlo circular por paredes refrigeradas.

Esta combinación de mecanismos de enfriamiento generan un sinergismo entre sí, lo que se manifiesta en la forma en que cada uno actúa: el gas frío (bajo 60 ^Q C) al mezclarse con los vapores disminuye en forma virtualmente instantánea la temperatura de los vapores. Para el caso de vapores de pirólisis de madera, productos orgánicos o residuos forestales, permite bajar la temperatura desde 350-800 ^Q C a 80-300 ^Q C, preferentemente entre 100 - 150 ^Q C, los que luego condensan a temperatura entre 15 a 60 ^Q C sobre un film de líquido frío que escurre por las paredes del condensador en un tiempo no superior a 5 segundos.

Por una parte, el calor específico de los vapores a condensar varía generalmente entre 0,05 a 0,2 cal/g ^Q C, en tanto que para líquidos como bio- combustible es de 0,2 a 0,8 cal/g ^Q C. A su vez, el calor latente de condensación de los vapores pueden variar entre 3 a 5 cal/g ^Q C, el cual es sobre dos ordenes de magnitud mayor que el calor específico del gas o un orden de magnitud mayor que el líquido. Esto requiere, por lo tanto, remover desde el elemento de enfriamiento que absorbe el producto condensado (líquido) gran cantidad de calor en forma continua, lo cual se obtiene mediante paredes enfriadas externamente con agua, otro líquido o gas, las que transfieren calor eficientemente desde el film de líquido que fluye por el interior del condensador.

A continuación, se presenta una descripción detallada de la tecnología considerando como referencia las Figuras N ^g 1 y N ⁵ 2.

En la Figura N ² 1 se esquematiza el equipo de enfriamiento rápido, que está compuesto de un cuerpo superior 1 que es un cono truncado invertido que está unido en su apex o garganta 14 con un cuerpo cónico truncado inferior 2, formando así un doble cono similar al denominado Venturi que es empleado generalmente para lavar gases en la industria.

El cuerpo completo del enfriador rápido está provisto de una chaqueta exterior de enfriamiento 28, por la que circula un líquido refrigerante tal como agua a una temperatura inferior a 60 ^Q C.

En la parte superior del cono truncado invertido superior del enfriador se encuentra la cubierta o tapa del equipo 35, la cual en su zona central tiene un ducto 4 provisto de aislación térmica 36, por el cual entran los vapores 5 a alta temperatura que se desean condensar. El aislante térmico 36 permite mantener los gases a alta temperatura sin condensación de productos en el interior del ducto 4 hasta que estos contacten el gas frío. Los vapores calientes que emergen del ducto 4 se mezclan rápidamente con gas frío que emerge de un sistema de dos o más perforaciones o toberas 9 situados en forma circundante al tubo 4. Este gas frío 6 puede ser gas no condensable de pirólisis u otro, y entra al enfriador por el ducto 7, el cual circula hacia el distribuidor anular del gas 8 para salir por dos o más perforaciones o toberas 9 ubicadas radialmente para así mezclarse en forma rápida y homogénea con los vapores a condensar. La mezcla de vapores calientes y gas frío impacta un cono de dispersión 3, el cual desvía el flujo de gases hacia la periferia de la parte superior interna del enfriador, donde entran en contacto con un film o capa de líquido a temperatura igual o menor a 60 ^Q C, que puede ser por ejemplo, bio-combustible 10 enfriado externamente a una temperatura igual o inferior a 60 ^Q C en un equipo convencional y que es alimentado al enfriador a través de un ducto 11 , el que rebasa por sobre un vertedero anular 12 formando así un film o película de líquido 13 que fluye gravitacional mente por las paredes internas del equipo, enfriando y condensando los vapores e integrándolos así al flujo de líquido que circula hacia la garganta 14 del enfriador, donde enfrentan un cono central 15 ubicado en el interior del cono truncado inferior del enfriador. El cono 15 está provisto de placas deflectoras 16 puestas en dos o más niveles y en posiciones opuestas entre cada nivel, para así generar una fuerte turbulencia del gas forzándolo a contactar el film de líquido 13 que desciende por las paredes del cono, y completar de esta forma la condensación de los vapores.

La mezcla 21 tanto de gases no condensables como de líquido pasa a un sistema de separación convencional gas-líquido, tal como un ciclón 22 donde se separa el líquido 23 del gas no condensable 24 que sale por la zona superior 25 del ciclón, el cual puede pasar a otro sistema adicional de separación líquido-gas, si se desea.

Todas las paredes del enfriador, con excepción de la tapa superior 35 y fondo de éste 34, están provistas de chaquetas de refrigeración 28 donde circula un líquido tal como agua u otro gas 26 a una temperatura inferior o igual a 60 ^Q C, el cual entra en la zona inferior 27 y sale 30 en la parte superior 29. En igual forma, el cono inferior interno 15 tiene un sistema de entrada 18 de líquido o gas de refrigeración 17, el cual rebasa en su parte superior central interna a través de un ducto 19, por donde sale el líquido o gas de refrigeración 20. Cualquier líquido residual 31 acumulado en la parte inferior del condensador 34 se extrae 33 a través de una válvula 32. En la Figura N ² 2 se presenta una vista esquemática más detallada de la zona superior del enfriador. En ésta, los vapores a condensar 5 entran por un ducto central 4 aislado térmicamente con una capa de aislante 36. Los vapores 38 enfrentan el flujo de un gas frío 6, el cual ingresa por un ducto 7 a una cámara superior 40, que está provista de dos o más perforaciones o toberas 9 que producen así una mezcla de gases fríos 39 y vapores 38 bajando su temperatura, que luego es desviada hacia la periferia del enfriador para contactarla con el film de líquido 13 mediante un cono central de difusión 3.

La mezcla de vapores y gases 41 entra en contacto con un film de líquido frío 13 a 60 ^Q C o menor temperatura, que puede ser biocombustible u otro líquido 10 enfriado externamente al enfriador, el cual entra por un ducto 11 para formar un anillo de líquido 42, el cual rebasa 43 por el vertedero anular 12 formando así un film que fluye gravitacional mente 13 por las paredes internas 44 del enfriador, las cuales a su vez están provistas de una chaqueta externa 28 de refrigeración donde fluye interiormente un líquido o gas refrigerante 45 tal como agua u otro, a temperatura inferior o igual a 60 ^Q C.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Se utilizó vapor proveniente de la pirólisis rápida de aserrín de pino radita con una temperatura de 480 ^Q C, el cual fue enfriado en el equipo de enfriamiento rápido para vapores orgánicos o inorgánicos. Se empleó gas no condensable de pirólisis obtenido previamente en razón de 4 volúmenes de gas a 15 ^Q C por cada volumen de vapor a 480 ^Q C, y bio-oil obtenido también en una operación anterior empleando una razón de flujos de 1 volumen de líquido (bio-oil) por cada 20 volúmenes de vapor de pirólisis. El enfriador presentaba paredes externas enfriadas con agua circulante que ingresaba a 15 ^Q C.

La eficiencia de condensación de los vapores de bio-oil (requerido a la fracción condensable) fue de 96,8%.