СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЕМ И ТЕМПЕРАТУРОЙ ДЛЯ ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ОДНОГО ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА Российский патент 2014 года по МПК C10L5/44 B01J3/04 B01J19/24 

Область техники

Изобретение относится к новой системе управления давлением и температурой для реактора или группы химических реакторов, содержащих водный раствор при температуре, близкой к температуре его кипения при давлении процесса. В основе этой системы управлении лежит, главным образом, комплект оборудования, в котором сама технологическая вода используется для снижения и стабилизации температуры по всему реактору или группе реакторов в системе.

В частности, предпочтительный вариант осуществления этого изобретения относится к процессу гидротермальной карбонизации (ГТК).

Уровень техники

В последние годы, в ответ на возрастающую потребность в источниках энергии в промышленно развитых странах, проводятся многочисленные исследования, направленные на создание новых источников энергии, использующих возобновляемые ресурсы, с тем чтобы снизить отрицательное воздействие на окружающую среду, связанное с непрерывным промышленным ростом.

Среди таких источников энергии, наибольшим вниманием пользовалась, без сомнения, биомасса. В целом, биомасса определяется как биологически разложимая органическая часть, имеющаяся в продуктах различного рода, например бытовых отходах или отходах сельского хозяйства или лесной промышленности. Среди основных вариантов использования энергии можно упомянуть ее использование в качестве основы для производства моторного топлива, а также в качестве источника тепла и электроэнергии.

Несмотря на созданные в последние годы ряд технологий в этой области, в самое последнее время группа профессора Маркуса Антониетти из Института Макса Планка представила новый высокоэффективный способ использования биомассы, основанный на ее гидротермальной карбонизации (Elton Jacquot, J., "Back in Black: Using hydrothermal Carbonization to clean Emissions", 2007 г., Science & Technology). В основе этого ГТК процесса лежит воздействие на водный раствор биомассы в присутствии катализатора температуры от 180 до 210°C и давления от 10 до 19 бар в течение 4-24 часов с получением продукта, по строению напоминающего уголь. Будучи раз инициированным, этот процесс происходит самопроизвольно с выделением тепла и превращением, благодаря высокой термодинамической стабильности воды, до одной трети запасенной в биомассе энергии в углеводороды.

Главным преимуществом этого способа по сравнению с другими описанными в литературе является его простота. В отличие от других процессов карбонизации, в которых необходимо затрачивать много энергии для подготовки и предварительной сушки биомассы (WO 2003002690), при гидротермальной карбонизации можно использовать в качестве сырья влажную биомассу, что обеспечивает существенную экономию в производственных расходах.

Уже в 1943 г. в ES 0160612 был описан процесс карбонизации биомассы в присутствии воды, когда биомасса, в описываемом случае отходы производства растительной продукции, помещалась в увлажненные автоклавы, в которые впрыскивался перегретый пар, пока не достигалась температура от 180 до 210°C и давление от 2 до 10 атм. Этот процесс продолжался примерно от 6 до 20 часов до достижения требуемых параметров конечного продукта. Главным недостатком этого процесса, по сравнению с настоящим изобретением, является его прерывистость.

Спустя годы в US 4579562 был представлен новый вариант осуществления процесса карбонизации. В этом случае, реакция проводилась непрерывно в противоточном реакторе, где твердое вещество соприкасалось с жидкостью при температурах от 204 до 343°C и давлениях, достаточно высоких для предотвращения кипения воды.

В отличие от известной системы, в JP 2002/059118 биомасса подавалась в автоклав, где она подвергалась обработке при высоких давлениях и температурах в присутствии воды. По истечении необходимого для обработки времени, реактор охлаждался и открывался для извлечения конечного продукта реакции.

Общим признаком всех этих описанных выше способов является необходимость работы при стабильных и определенных условиях проведения процесса.

Таким образом, настоящее изобретение главным образом относится к новой системе управления давлением и температурой для одного или группы химических реакторов, основанной на комплекте оборудования, в котором для охлаждения системы используется сама технологическая вода. При использовании этой весьма простой системы, возможно управлять температурой и давлением в реакторе или реакторах без использования в ней движущихся устройств и теплообменных поверхностей, недостатком которых часто бывает накопление нежелательных отложений на их поверхностях через какое-то время работы. Исключение подобных движущихся устройств означает значительную экономию как в отношении затрат, так и времени, необходимого для их очистки и обслуживания.

Кроме того, наличие поверхностей теплообменника внутри реактора или реакторов системы приводит к появлению градиентов температуры между хладагентом и реакционной средой, что затрудняет процесс управления температурой. В настоящем изобретении эта проблема решается благодаря использованию самой технологической воды для снижения температуры реактора или реакторов, чем поддерживается однородность температуры внутри водного раствора. К тому же, за счет использования скрытой теплоты испарения воды, достигается высокая холодопроизводительность системы, а также высокая стабильность требуемых давления и температуры.

Более того, дополнительным преимуществом настоящего изобретения в предпочтительном варианте является возможность возвращения части внутренней энергии пара, получаемого в процессе реакции, посредством паровой турбины и (или) его конденсацией в теплообменнике, что позволяет использовать тепло, высвободившееся в данном оборудовании, в других тепловых процессах или применениях.

Также часть получающегося пара может быть использована для предварительного нагрева подаваемого в процесс сырья как за счет непосредственного введения в это сырье, так и через теплообменник.

В то время как представленная система управления может быть использована в реакторах и процессах различного типа, в предпочтительном варианте, она предназначена для ГТК процесса, вне зависимости от того, происходит ли он в реакторах непрерывного типа или периодического типа. Таким образом, объектом настоящего изобретения является система управления давлением и температурой, особенно пригодная для использования с ГТК процессом, а также использование этой системы для управления давлением и температурой ГТК процесса.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к системе управления давлением и температурой для по меньшей мере одного химического реактора, отличающейся тем, что она включает по меньшей мере следующие устройства:

а) резервуар с по меньшей мере одним устройством регулировки давления (далее, резервуар регулировки давления);

б) соединительную трубу между химическим реактором или реакторами и резервуаром регулировки давления;

в) устройство для впрыскивания конденсатов в реактор или реакторы системы.

Используя эти устройства, возможно поддерживать в реакторе или группе реакторов нужные давление и температуру в ходе процесса.

Резервуар (а) регулировки давления состоит из независимого от реактора резервуара (1), включающего по меньшей мере одно отверстие (2) для впуска газа и (или) пара, расположенное, в предпочтительном варианте, в днище резервуара, внизу, в области конденсата. Аналогично, резервуар включает по меньшей мере одно отверстие (3) впуска конденсата и по меньшей мере одно отверстие (4) выпуска конденсата, а также расположенное сверху по меньшей мере одно отверстие (5) выпуска газа и (или) пара с по меньшей мере одним устройством регулировки давления. В предпочтительном варианте осуществления, это устройство регулировки давления состоит из клапана регулировки давления, задачей которого является непрерывное управление давлением в резервуаре, в зависимости от величины, измеряемой датчиком давления, помещенным в самом резервуаре или его выпускной трубе. Таким образом, давление в устройстве регулировки давления будет устанавливаться в соответствии с давлением, заданным для процесса, и, в свою очередь, его заданное значение будет установлено равным величине, полученной в результате нахождения при упомянутом давлении, требующемся для процесса, давления столба воды, соответствующего уровню конденсата внутри резервуара регулировки давления. Это заданное значение может устанавливаться электронным способом в случае, если устройство включает электронный регулятор, или ручным способом в случае механического устройства.

Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления резервуара, он может быть оборудован в верхней части по меньшей мере одним устройством, выбранным из группы, состоящей из: дополнительного клапана регулировки давления, датчика давления, деаэратора, вакуумного клапана и предохранительного клапана, а также любой их комбинации. Аналогично, резервуар может иметь в области конденсата дополнительный температурный датчик.

Когда достигнуто установленное значение клапана регулирования давления, этот клапан начинает постепенно открываться, пропуская пар и (или) газы, накопившиеся внутри резервуара (1). Таким путем всегда возможно поддерживать стабильное давление, величина которого находится в интервале регулировки клапана регулировки. Более того, в результате открывания клапана создается градиент давления между реактором или реакторами и резервуаром (1) регулировки давления, что способствует протеканию пара и (или) газа между этими устройствами по соединяющей их трубе (13).

После выхода пара и (или) газов из резервуара (1) через его клапан регулировки, они направляются в по меньшей мере одно устройство улавливания пара, в предпочтительном варианте представляющее собой один или более конденсаторов (6) и (7), предназначенных для работы при температуре, значительно более низкой, чем температура процесса. В предпочтительном варианте осуществления, в котором процессом является ГТК процесс, температура в конденсаторе или конденсаторах составляет по меньшей мере 20°C и, желательно, на 50°C ниже температуры процесса.

В варианте исполнения, до шага конденсации, может быть использована по меньшей мере одна паровая турбина (8), в которой внутренняя энергия полученного пара и (или) газа используется для генерирования электричества. В этом случае, рабочая температура конденсатора или конденсаторов будет, насколько это возможно, близка комнатной температуре, для достижения лучших рабочих характеристик паровой турбины или турбин.

Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения применительно к ГТК процессу, часть излишков пара, полученного в процессе реакции, может быть использована в процессе для предварительного нагрева. Таким образом, в конкретном варианте осуществления, где ГТК процесс периодически проводится в нескольких автоклавах-реакторах, пар желательно непосредственно впрыскивать в реактор в начальной стадии его подогрева. Если, напротив, процесс проводится непрерывно, пар может использоваться для нагрева водной смеси биомассы, подаваемой в реактор, желательно, через теплообменную поверхность.

Более того, в ходе процесса химической реакции возможно, что могут быть получены и другие газы, помимо водяного пара, например метан и (или) CO₂. Поскольку температура конденсации этих газов значительно ниже температуры конденсации водяного пара, накопление этих газов может иметь негативный эффект на работу конденсатора(-ов). Поэтому для того чтобы предотвратить возможное снижение тепловой мощности этих устройств, они должны быть оснащены по меньшей мере одним устройством для отведения воздуха и газов.

После шага конденсации, конденсированный пар направляется в по меньшей мере один резервуар (9), находящийся под повышенным или атмосферным давлением, для хранения конденсатов, при этом конденсаты транспортируются и вводятся обратно в резервуар (1) регулировки давления в момент, когда в нем имеется минимальный заданный уровень такого конденсата. В противном случае, когда уровень конденсата превышает максимальное значение, продолжается его выведение через клапан слива конденсата до тех пор, пока снова не будет достигнут уровень в пределах заданного интервала. Таким путем, всегда возможно поддерживать уровень конденсата в резервуаре между минимальным значением и максимальным значением, примерно, от 50 до 90% или, желательно, между 60 и 80% полного его объема.

Одной из главных задач описанного резервуара (1) регулировки давления как раз и является управление давлением реактора или реакторов (10), (11) и (12), с которыми он соединяется соединительной трубой (б). Эта соединительная труба (13) имеет достаточный размер для отведения максимального количества газов и (или) водяного пара из верхней части реактора или реакторов к резервуару (1) регулировки давления.

В свою очередь, в одном варианте осуществления изобретения, эта соединительная труба (13) будет дополнительно оборудована по меньшей мере одним запорным клапаном, который начинает медленно открываться при достижения минимального давления, необходимого для процесса. Применение этого клапана может способствовать значительной экономии энергии, затрачиваемой системой, благодаря использованию части получаемого пара для запуска процесса, проводимого в оборудовании, где проводят одну реакцию.

В случае использования группы реакторов, подключенных к единому резервуару (1) регулировки давления, между каждым реактором и этим резервуаром (1) регулировки давления потребуется установить запорный клапан с тем, чтобы обеспечить индивидуальное отключение каждого из них.

Когда поток насыщенного пара и (или) газа от реактора или реакторов достигает резервуара (1) регулировки давления, вследствие того что отверстие впуска резервуара, в предпочтительном варианте, погружено в область конденсата, происходит нагрев этих конденсатов в случае, если эти конденсаты находятся при температуре, более низкой, чем температура входящих пара и (или) газов, и между обеими фазами имеется разность температуры. В результате, внутри резервуара (1) достигается примерно стабильная температура, максимально приближенная к температуре процесса.

В конкретном случае ГТК процесса, температура составляет от 170 до 230°C, желательно, от 179,8 до 219,6°C и в наиболее предпочтительном случае от 191,6 до 209,8°C, что способствует непрерывной карбонизации, предотвращая нежелательные перерывы в процессе, связанные с необходимостью снижения температуры воды, впрыскиваемой в реактор.

В свою очередь, впрыскивание в реактор или реакторы конденсатов, поступающих из резервуара (1) регулировки давления, выполняется посредством устройства (в) для впрыскивания конденсатов, помещенного вокруг боковой стенки и днища каждого реактора. Это устройство впрыскивания может включать одно или более отверстий для впрыска, сквозь которые поступающие из резервуара (1) регулировки давления конденсаты вводятся в различные части оборудования.

Количество конденсатов, поступающих в реактор или реакторы, зависит от требуемого уровня в самом(-их) реакторе(-ах), для поддержания в них стабильного количества водного раствора.

Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, реактор или реакторы в верхней своей части дополнительно оснащены по меньшей мере одним устройством, выбранным из группы, состоящей из: предохранительного клапана, датчика давления, датчика температуры, датчика уровня заполнения, отверстия для отвода воздуха и газа и вакуумного клапана, а также любой их комбинации. Аналогично, для управления температурой процесса и предотвращения нежелательных потерь тепла в атмосферу, реактор или группа реакторов (10), (11) и (12), соединительная труба (13) и резервуар (1) регулировки давления имеют теплоизоляцию от окружающей среды, желательно с использованием минеральной ваты и алюминиевых листов.

Наконец, на боковой стороне и (или) днище реактора или реакторов располагается устройство (14) для впрыскивания пара, состоящее из одного или более впускных отверстий для впрыска пара в реактор или реакторы, желательно, во время их холодного пуска. Используемый пар может поступать либо из внешнего источника, желательно из парового котла (15), либо из самого резервуара (1) регулировки давления в случае, если система работает в номинальном режиме работы, и резервуар запитывается другими реакторами так, что давление в нем выше, чем в реакторе в фазе пуска. В конкретном случае ГТК процесса, впрыскиваемого количества должно быть столько, сколько необходимо для достижения температуры по меньшей мере 170°C, желательно, 180°C, и наиболее желательно, по меньшей мере 195°C.

Краткое описание чертежей

Изобретение рассмотрено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 представлена схема системы управления давлением, примененная с группой реакторов;

на фиг.2 показано применение системы управления температурой и давлением для реактора непрерывного режима работы для ГТК процесса.

Перечень ссылок, используемых на чертежах:

Фиг.1

1. Резервуар регулировки давления

2. Отверстие впуска газа и (или) пара

3. Отверстие впуска конденсата

4. Отверстие выпуска конденсата

5. Отверстие выпуска газа и (или) пара

6. Конденсатор 1

7. Конденсатор 2

8. Паровая турбина

9. Резервуар 1 для хранения конденсатов

10. Реактор 1

11. Реактор 2

12. Реактор 3

13. Соединительная труба между реактором и устройством регулировки давления

14. Устройство для впрыскивания пара

15. Паровой котел 1

Потоки

А. Охлаждающая жидкость

Фиг.2

16. Водная смесь биомассы и катализатора

17. Оборудование предварительного нагрева

18. Вертикальный реактор

19. Паровой котел 2

20. Форсунка впрыскивания пара

21. Резервуар 2 регулировки давления

22. Устройство 1 ввода конденсата

23. Устройство 2 ввода конденсата

24. Устройство 3 ввода конденсата

25. Конденсатор 3

26. Резервуар 2 для хранения конденсатов

27. Конечный продукт

Осуществление изобретения

Далее приводится подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения относящееся, в частности, к управлению режимом работы ГТК процесса, со ссылками на цифровые обозначения фиг.2.

В случае применения описанной выше системы управления давлением и температурой к ГТК процессу, в эту систему дополнительно включается по меньшей мере один из следующих компонентов:

- оборудование для создания давления;

- оборудование для предварительного нагрева;

- вертикальный противоточный реактор;

- охлаждающее оборудование и

- оборудование для сброса давления.

Оборудование для создания давления состоит из устройства для сжатия смеси (16) по меньшей мере биомассы, катализатора и технологической воды, до достижения давления, необходимого для, во-первых, преодоления давления внутри реактора и противодавления, создаваемого внутри подводящей к реактору трубы, и, во-вторых, для предотвращения обратного выхода материала и возможной утечки технологической воды. В предпочтительном варианте, это оборудование состоит из по меньшей мере одного запорного клапана и (или) нагнетательного насоса и, в более предпочтительном варианте, по меньшей мере одного поршня или мембранного насоса, способного работать как непрерывно, так и короткими периодами, обеспечивая тем самым процесс карбонизации.

Далее, оборудование (17) для предварительного нагрева состоит из по меньшей мере одного теплообменника, представляющего, в предпочтительном варианте осуществления, трубу высокого давления с двойными стенками, внутри которой протекает смесь по меньшей мере биомассы, катализатора и технологической воды, а сквозь наружную часть пропускают текучую среду, подводящую тепло. В предпочтительном варианте, эта текучая среда состоит из горячего масла, воды или водяного пара, а в наиболее предпочтительном варианте - водяного пара.

В варианте осуществления, как было упомянуто выше, имеется возможность прямого впрыска пара в водную смесь биомассы и катализатора при давлении, более высоком, чем давление в самой трубе предварительного нагрева, и значит, выше давления процесса. Этот пар может поступать либо из внешнего источника, желательно, парового котла (19), либо из собственно процесса, проходя через компрессор.

Более того, скоростью транспортирования смеси биомассы и технологической воды по трубе предварительного нагрева управляет оборудование для создания давления, и ее диаметр выбирается таким образом, что время пребывания в ней смеси составляет примерно от 20 до 60 минут, желательно, от 30 до 40 минут, а конечная температура на ее выпускном отверстии поднимается до по меньшей мере 170°C, желательно, до 175°C, и наиболее желательно, более 180°C.

Что касается реактора (18) системы, то в предпочтительном варианте он состоит из резервуара высокого давления, в котором происходят все химические процессы карбонизации. Этот реактор отличается тем, что допускает непрерывную или с регулярными интервалами подачу биомассы, а также непрерывный или с регулярными интервалами вывод отводимого материала, без изменения внутренней температуры или давления. Реактор, в свою очередь, состоит из по меньшей мере четырех различных зон - стояка, газовой зоны, зоны полимеризации и зоны дозревания.

i. Стояк является продолжением трубы предварительного нагрева и занимает центральную область реактора от его днища до примерно 50-80% высоты реактора, желательно, от 60 до 70%.

ii. В верхней части реактора имеется трубка, обеспечивающая соединение с резервуаром (21) регулировки давления, посредством которого производится управление давлением в реакторе. Через эту соединительную трубку производится отведение пара, генерируемого в экзотермическом ГТК процессе, вместе с воздухом из технологической воды или газами, образующимися при разложении биомассы.

iii. Реактор может быть дополнительно оборудован в своей верхней части по меньшей мере одним устройством, выбранным из группы, состоящей из: предохранительного клапана, датчика давления, датчика температуры, датчика уровня заполнения, отверстия для отвода воздуха и газа и вакуумного клапана, а также любой их комбинации.

iv. Вокруг отверстия стояка и в верхней части реактора находится зона полимеризации. Время пребывания биомассы в этой зоне и, следовательно, прохождения ГТК процесса зависит только от ее плотности и термической активности. Благодаря этому, допускаются некоторые вариации содержания различных соединений в смеси, которая, по завершении этого времени, опускается в зону дозревания.

v. Зона дозревания расположена на днище цилиндрического реактора за зоной полимеризации и вокруг стояка. В варианте исполнения, она может также быть расположена в других частях реактора, в том случае, если там соблюдаются те же условия температурной стабильности.

vi. На боковой стенке и днище реактора и в стояке имеются одно или более впускных отверстий для впрыскивания пара (20) во время холодного пуска или в случае недостаточной температуры.

vii. По боковой стенке реактора также распределены одно или более впускных отверстий для впрыска конденсатов. Подача конденсатов необходима для выравнивания температуры реактора, а также для компенсации испарения воды из-за нагрева в ходе ГТК процесса.

viii. Аналогично, для управления рабочей температурой и предотвращения неконтролируемых потерь тепла в атмосферу, реактор имеет тепловую изоляцию, для которой, в предпочтительном варианте, используется минеральная вата и наружная оболочка из алюминиевого листа.

После реактора установлено охлаждающее оборудование, которое, в предпочтительном варианте, включает одну или более параллельных трубок, содержащих горячую и сжатую смесь из реактора, снаружи которых протекает охлаждающая жидкость, в качестве которой может использоваться горячее масло или вода под давлением, желательно, горячее масло, которая охлаждает эту смесь до заданной температуры.

В конце установлено оборудование сброса давления. В предпочтительном варианте, это оборудование включает два последовательно установленных затвора или клапана, которые должны быть в состоянии работать при условиях проведения процесса. Кроме того, между двумя затворами или клапанами может быть установлен резервуар быстрого сброса давления для поглощения скачков давления при их открывании.

Также задачей настоящего изобретения является применение системы управления давлением и температурой, описанной выше, для управления реактором, в котором проводится процесс гидротермальной карбонизации (ГТК процесс).

Наконец, другой задачей изобретения является способ управления давлением и температурой реактора, в котором проводится ГТК процесс, отличающийся тем, что при его осуществлении выполняют по меньшей мере следующее:

а) повышают давление водной смеси биомассы и катализатора до давления по меньшей мере 10 бар;

б) предварительно нагревают водную смесь биомассы и катализатора для достижения температуры от 170 до 210°C;

в) подают водную смесь биомассы и катализатора в вертикальный противоточный реактор (20), в котором происходит процесс карбонизации;

г) охлаждают смесь карбонизированной биомассы вместе с по меньшей мере технологической водой в охлаждающей трубке до по меньшей мере температуры ниже температуры кипения при атмосферном давлении, т.е. ниже 100°C;

д) снижают давление и извлекают водную смесь карбонизированной биомассы.

Кроме того, данный способ может также включать шаг предварительной обработки биомассы перед ее введением в систему, для создания соответствующих условий ее переработки, что способствует последующему процессу карбонизации. В предпочтительном варианте осуществления, на этой фазе предварительной обработки по меньшей мере перемалывают и промывают биомассу:

а) сначала, биомассу перемалывают до получения максимального размера частиц, обеспечивающего их прохождение через оборудование создания давления. Если биомасса поступает после переработки сельскохозяйственных культур или древесины, окончательный размер частиц должен быть менее 30 см, в предпочтительном варианте, менее 15 см;

б) затем, для устранения загрязняющих примесей из биомассы, например песка, камня, стекла, металлов и других элементов, с плотностью, превышающей плотность воды, биомассу помещают в промывочный бассейн с водой или смесью кислоты и воды на время от 5 до 120 минут, желательно, от 10 до 30 минут. При такой промывке, загрязнители отделяются от биомассы и оседают на дно бассейна, в то время как биомасса плавает на поверхности, пока ее плотность не станет больше плотности воды из-за впитывания воды. Другие загрязнители, непригодные для ГТК процесса, например пластмассы, но также плавающие в воде, должны удаляться другой обработкой отбора и сепарации как естественным путем, так и в центрифугах или системах обработки сжатым воздухом.

После этой предварительной обработки, биомасса содержится в бункере или контейнере, откуда она подается в ГТК процесс. Преимуществом такой процедуры является ее пригодность для биомассы любого типа, включая, например, отходы лесной промышленности, сельского хозяйства, ландшафтных работ, осадок сточных вод, водоросли и отходы сельскохозяйственного производства, городские отбросы и др. В случае, если биомасса состоит из осадка сточных вод или разобранных бытовых отбросов, необходимости в предварительной обработке нет и биомасса может непосредственно подаваться в ГТК процесс.

Процесс начинается смешиванием биомассы, выбранной в качестве сырья, с определенным количеством технологической воды. Эта смесь также будет содержать по меньшей мере одно средство для ускорения химической реакции, представляющее собой органический или неорганический катализатор, желательно кислоту, которая в наиболее предпочтительном случае, может быть лимонной или серной кислотой. В этом случае, кислота добавляется в количестве, достаточном для получения pH в реакторе в интервале 4,5-6,5, желательно, от 5 до 6.

Затем эту водную смесь биомассы и катализатора подвергают сжатию до давления, по меньшей мере достаточного для введения в трубу (17) предварительного нагрева и, далее, в реактор. Это давление должно превышать 10 бар, желательно, должно быть более 13 бар. Затем, водную смесь биомассы и катализатора подвергают предварительному нагреву с тем, чтобы достичь начальной температуры РТС процесса в его стадии мономеризации. Этот предварительный нагрев может выполняться в теплообменнике, желательно, в трубе (17) предварительного нагрева, в которой смесь нагревают теплом, передаваемым через стенки трубы, до температуры 170-210°C, желательно, 180-200°C. Кроме того, в качестве альтернативы нагреву посредством теплопередачи в трубе предварительного нагрева, или в дополнение к нему, возможен прямой впрыск пара в водную смесь биомассы и катализатора при давлении, более высоком, чем давление в самой трубе предварительного нагрева, до достижения упомянутых температур. При достижении этих температур, водную смесь биомассы и катализатора подают в вертикальный противоточный реактор (20) через стояк, в котором начинается мономеризация или гидролиз биомассы. В то же время, начинается образование масел, а также выделение газов, например метана или CO₂, в результате естественного разложения биомассы. Эти газы далее поднимаются внутри стояка и скапливаются в верхней части реактора, откуда их отводят, вместе с насыщенным паром, к резервуару регулировки давления. При нормальных условиях, реактор заполняют смесью биомассы и технологической воды до достижения 60-90%, желательно, 70-80% его объема. Хотя плотность биомассы может меняться и может быть ниже или выше плотности воды, после начала мономеризации получающиеся в результате компоненты стремятся подниматься и плавать на поверхности. Благодаря этому, эти соединения, достигнув конца стояка, остаются вблизи уровня поверхности жидкости.

Таким образом, при нормальных условиях, на выпускном конце этой трубы ГТК процесс уже запущен, и получившиеся компоненты первой стадии мономеризации вступают во второй этап полимеризации. В этой новой стадии, масла и другие компоненты, образовавшиеся при мономеризации, полимеризуются и образуют соединение типа синтетической смолы или исходного вещества для образования угля. В зависимости от типа биомассы и условий проведения процесса, эта стадия продолжается от 1 до 6 часов, в предпочтительном варианте, от 2 до 4 часов.

Более того, поскольку в ходе процесса выделяется тепло, важно управлять температурой и давлением процесса, в предпочтительном варианте, в рамках процесса Института Макса Планка. В частности, в предпочтительном варианте, температура должна быть в интервале 170-230°C, более желательно в интервале 179,9-219,6°C, и наиболее желательно, в интервале 191,6-209,8°C, в то время как для давления предпочтительным вариантом должно быть 8-28 бар абсолютного давления, более предпочтительным интервалом - от 10 до 23 бар, и наиболее предпочтительным - от 13 до 19 бар. Эти значения зависят как от типа биомассы, так и от получаемого продукта.

Надежное управление условиями проведения процесса необходимо для предотвращения чрезмерного повышения температуры процесса, в результате чего, помимо ГТК процесса, могут начаться иные химические процессы, в результате которых может появиться избыток CO₂, из-за которого, если его вовремя не отвести, может произойти нежелательное повышение давления внутри реактора.

По мере прохождения ГТК процесса, увеличивается плотность образующихся твердых соединений, с одновременным уменьшением выделения тепла. В результате эти соединения опускаются вниз внутри технологической воды в зону дозревания.

В начале этой третьей стадии, основные угольные соединения уже сформировались, но молекулы воды еще могут быть отделены от сформировавшихся угольных структур. По истечении примерно 2-12 часов, в зависимости от типа биомассы и условий процесса, тепловыделение падает практически до нуля.

По завершении процесса карбонизации, смесь карбонизированной биомассы с по меньшей мере технологической водой направляется к охлаждающей трубке, в которой температура биомассы снижается до уровней ниже температуры кипения при атмосферном давлении, т.е. менее 100°C. Тем самым предотвращается возможность мгновенного вскипания в расположенном далее оборудовании сброса давления, через которое нормально проходит водная смесь карбонизированной биомассы. Через некоторое время, твердые частицы этой смеси отлагаются на дно контейнера на выходе либо будут отделены центрифугой или фильтрацией и далее использованы, в зависимости от чистоты, в качестве твердого топлива или сырья для других процессов.

В частном варианте осуществления изобретения, уголь может быть использован в качестве твердого топлива, желательно, в виде прессованных пеллет или брикетов. В альтернативном варианте, уголь может быть использован в качестве сырья для других промышленных процессов, желательно, для получения жидкого углеводородного топлива. Наконец, также имеется возможность сокращения времени, требуемого для дозревания. В этом случае, конечный продукт представляет собой массу, которая может быть использована в качестве удобрения.

Наконец, в предпочтительном варианте осуществления изобретения, часть тепла, получаемого на стадии охлаждения смеси карбонизированной биомассы с по меньшей мере технологической водой, полученной в результате процесса гидротермальной карбонизации, может быть регенерирована (извлечена) в по меньшей мере одном из шагов, где требуется тепло, желательно, на шаге предварительного нагрева смеси биомассы, катализатора и технологической воды, подаваемой в систему, выполняемом в оборудовании (17) предварительного нагрева, описанном ранее.

Пример 1

Ниже, в качестве примера, не ограничивающего изобретение, приводится описание применения системы управления температурой и давлением к ГТК процессу, представленному выше, с использованием принятых на чертежах цифровых обозначений.

В этом примере, водная смесь (16) биомассы с катализатором, например лимонной или серной кислотой, добавленным в количестве, обеспечивающем величину pH, равную 5,5, вводится в вертикальный реактор (18) непрерывного действия, после подогрева в трубе (17) предварительного нагрева до температуры 180°C.

Затем, во время холодного пуска процесса, в реактор впрыскивается сквозь отверстия (20) для впрыска некоторое количество пара при температуре 195°C. Когда достигаются температура и давление процесса, равные примерно 191°C и 13 бар, начинаются стадии мономеризации и полимеризации процесса карбонизации, с выделением энергии в реакционную среду в силу экзотермического характера процесса. В результате выделения тепла на молекулярном уровне биомассы и вследствие непосредственного контакта с водным окружением, часть воды начинает испаряться, поднимаясь внутри ректора и скапливаясь в его верхней части. Отсюда она передается в резервуар (21) регулировки давления, вместе с другими газами, выделяющимися в ходе процесса, включая, например, метан, CO₂ или воздух.

Таким образом, по мере прохождения процесса, выделяющийся водяной пар собирается, вместе с другими газами, в верхней части резервуара (21) регулировки давления. В результате, давление здесь непрерывно нарастает до тех пор, пока не достигнет величины примерно 13 бар, равной установленному значению открывания клапана управления резервуара (21).

При открывании клапана, газы, вместе с водяным паром, выходят и передаются в оборудование (25) конденсации, в котором охлаждаются до температуры примерно 90°C. Газы, не переходящие в жидкое состояние при такой температуре, выводятся в окружающую среду посредством устройства отведения газа и воздуха, входящего в данное оборудование.

Далее, 20-50% образовавшегося пара, в зависимости от степени разбавления биомассы водой, используется в трубе (17) предварительного нагрева для подогрева водной смеси биомассы, подаваемой в реактор (18).

После шага конденсации, конденсаты направляют в открытый резервуар-хранилище (26), который заполняют от 20 до 90% его объема. Отсюда конденсаты могут быть введены обратно в резервуар (21) регулировки давления, когда уровень конденсата там падает ниже 60% его объема.

Кроме того, некоторое количество этих конденсатов из резервуара (21) регулировки давления подается в реактор (18) при температуре примерно 190°C в том случае, если уровень там опускается ниже примерно 70% объема. Таким путем можно восстановить часть воды, испарившейся в ходе экзотермического процесса карбонизации, с одновременным выравниванием температуры в различных точках внутри реактора.

Используя описанную систему управления, можно обеспечить непрерывное проведение процесса, с поддержанием, при этом, надлежащих и стабильных давления и температуры процесса без использования дополнительного передвижного оборудования или теплообменных поверхностей внутри реактора.

Кроме того, данный предпочтительный вариант осуществления изобретения позволяет также регенерировать часть тепла, полученного на шаге охлаждения смеси карбонизированной биомассы с по меньшей мере технологической водой, выделившегося при карбонизации, и использовать для предварительного нагрева смеси биомассы, катализатора и технологической воды, подаваемой в систему, на шаге, осуществляемом в оборудовании (17) предварительного подогрева.

Изобретение относится к системам управления давлением и температурой реактора и может быть использовано в реакторах, содержащих водный раствор при температуре, близкой к температуре его кипения. Система управления давлением и температурой химического реактора, в котором происходит реакция гидротермальной карбонизации биомассы, включает: а) резервуар 21 с по меньшей мере одним устройством регулировки давления, б) соединительную трубу между резервуаром 21 и реактором 18 и в) устройство 22 для впрыскивания конденсатов в реактор. Изобретение позволяет использовать технологическую воду для снижения температуры реактора, снизить затраты на очистку и обслуживание системы и обеспечить стабильность давления и температуры. 4 н. и 20 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система управления давлением и температурой для по меньшей мере одного химического реактора, в котором происходит реакция гидротермальной карбонизации биомассы, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере следующие устройства:
а) резервуар с по меньшей мере одним устройством регулировки давления;
б) соединительную трубу между резервуаром и реактором;
в) устройство для впрыскивания конденсатов в реактор.

2. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одну систему для извлечения внутренней энергии из пара и (или) газов, образующихся в реакторе.

3. Система управления по п.2, отличающаяся тем, что системой для извлечения внутренней энергии из пара и (или) газов, образующихся в реакторе, является турбина.

4. Система управления давлением по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно устройство для охлаждения пара и (или) газов, образующихся в реакторе.

5. Система управления по п.4, отличающаяся тем, что охлаждающим устройством является конденсатор.

6. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере один резервуар для хранения конденсатов.

7. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что резервуар (а) имеет по меньшей мере одно впускное отверстие и по меньшей мере одно выпускное отверстие для конденсатов, а также по меньшей мере одно выпускное отверстие для пара и (или) газов, расположенное в верхней части этого резервуара.

8. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что резервуар (а) включает по меньшей мере одно устройство, выбранное из группы, состоящей из: клапана регулирования давления, датчика давления, датчика температуры, датчика уровня, деаэратора, вакуумного клапана и предохранительного клапана, а также их любую комбинацию.

9. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что соединительная труба (б) между реактором и резервуаром (а) подходит к резервуару ниже уровня конденсатов в нем.

10. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что она содержит систему для впрыска пара в реактор.

11. Система управления по п.1, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно внешнее устройство для генерации пара.

12. Система управления по п.11, отличающаяся тем, что внешним устройством для генерации пара является паровой котел или компрессор пара.

13. Система управления по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что она содержит по меньшей мере одно из следующего оборудования:
а) оборудование создания давления;
б) оборудование предварительного нагрева;
в) вертикальный противоточный реактор;
г) охлаждающее оборудование; и
д) оборудование сброса давления.

14. Применение системы управления по любому из предшествующих пунктов для управления давлением и температурой по меньшей мере одного химического реактора.

15. Применение системы управления по п.14 в отношении вертикального противоточного реактора, в котором образующиеся пары и газы накапливаются и выводятся в верхней части реактора.

16. Способ управления температурой и давлением, отличающийся тем, что он может быть осуществлен в системе по любому из пп.1-13, в котором:
а) сжимают водную смесь биомассы и катализатора до давления по меньшей мере 10 бар;
б) предварительно нагревают водную смесь биомассы и катализатора до температуры 170-210°С;
в) вводят водную смесь биомассы и катализатора в вертикальный противоточный реактор, в котором происходит реакция гидротермальной карбонизации с получением смеси карбонизированной биомассы с по меньшей мере технологической водой;
г) охлаждают смесь карбонизированной биомассы с по меньшей мере технологической водой в охлаждающей трубе до температуры ниже температуры кипения при атмосферном давлении;
д) снижают давление и извлекают водную смесь карбонизированной биомассы.

17. Способ по п.16, в котором дополнительно осуществляют предварительную обработку биомассы.

18. Способ по п.17, в котором на стадии предварительной обработки по меньшей мере перемалывают и по меньшей мере промывают биомассу.

19. Способ по любому из пп.16-18, в котором регенерируют часть тепла, выделившегося на стадии охлаждения смеси карбонизированной биомассы с по меньшей мере технологической водой, полученной в результате процесса гидротермальной карбонизации на шаге предварительного нагрева смеси биомассы, катализатора и технологической воды.

20. Вертикальный противоточный реактор для осуществления способа по любому из пп.16-19, содержащий внутри стояк, занимающий центральную часть реактора от днища до 50-80% его высоты.

21. Вертикальный противоточный реактор по п.20, включающий по меньшей мере одно устройство, выбранное из группы, состоящей из предохранительного клапана, датчика давления, датчика температуры, датчика уровня наполнения, отверстия для отвода воздуха и газа и вакуумного клапана, а также их любую комбинацию.

22. Вертикальный противоточный реактор по любому из пп.20, 21, имеющий в своей боковой стенке, и днище, и стояке, по меньшей мере одно впускное отверстие для впрыскивания пара.

23. Вертикальный противоточный реактор по любому из пп.20, 21, имеющий в своей боковой стенке по меньшей мере одно впускное отверстие для впрыскивания конденсатов.

24. Вертикальный противоточный реактор по п.22, имеющий в своей боковой стенке по меньшей мере одно впускное отверстие для впрыскивания конденсатов.