Aparato y procedimiento para la generación de llamas hidrotermales autotérmicas.

Este aparato hace uso de un procedimiento de oxidación de combustibles y/o residuos, fundamentalmente orgánicos, en agua, por encima del punto crítico. El aparato comprende una cámara de reacción (1), una carcasa de presión (3), entre las que circulará un flujo de un fluido refrigerante presurizado (5) como agua fría o salmuera, y un inyector (9). Este fluido (5) entra por la parte inferior de la cámara de reacción (6), redisolviendo las sales que hayan podido precipitar en el fondo (12) de la carcasa (3), ya que la cámara (1) presenta una abertura (15) en su fondo, abandonan la cámara de reacción (1) sin producir taponamientos.

Aparato y procedimiento para la generación de llamas hidrotermales autotérmicas.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un aparato y un procedimiento para la generación de llamas hidrotermales autotérmicas. Este aparato hace uso de un procedimiento de oxidación de combustibles y/o residuos, fundamentalmente orgánicos, en agua, por encima del punto crítico. En estas condiciones, el agua presenta propiedades físicas que le confieren características de disolvente orgánico.

El aparato podrá usarse para la destrucción de residuos por oxidación en agua supercrítica, para la producción de energía o para cualquier otro proceso hidrotermal que use la llama hidrotermal como fuente de energía como por ejemplo, la gasificación producida en agua supercrítica o la precipitación de materiales sobre la llama hidrotermal.

Antecedentes de la invención

Cuando se produce la oxidación de unos reactivos en agua supercrítica a temperaturas por encima de la temperatura de autoignición de los reactivos esta oxidación se produce en forma de llamas, conocidas como llamas hidrotermales. Estas llamas fueron descritas por primera vez por Schilling y Franck en 1988. Las altas presiones permiten disminuir de forma significativa las temperaturas de autoignición de los compuestos, en algunos casos hasta 400ºC, por lo que este proceso tiene lugar a temperaturas menores que la combustión convencional evitando la formación de subproductos como NO_x o dioxinas. Cuando la oxidación en agua supercrítica se da en régimen de llama hidrotermal los contaminantes pueden ser totalmente eliminados en tiempos de milisegundos [Augustine y Tester, 2009].

La principal aplicación de la oxidación en agua supercrítica tanto en régimen de llama como sin llama es la destrucción de residuos, especialmente aquellos no biodegradables, recalcitrantes o xenobióticos. Las llamas hidrotermales además se han aplicado a la perforación de pozos profundos, según se describe en las patentes US 5.771.984 y WO 2010072407.

La oxidación en agua supercrítica fue patentada por Modell en 1981, US 4.113.446, US 4.338.199 y US 4.543.190. En estas patentes se describe un complejo sistema de oxidación de lodos y residuos orgánicos que opera a temperaturas de 600ºC en una cámara de oxidación seguida de un separador de cenizas de la combustión y recirculación de gases a la cámara de oxidación.

Pronto se pusieron de manifiesto los problemas de esta tecnología asociados a las duras condiciones de operación: corrosión, debido a la atmósfera oxidante y deposición de sales inorgánicas debido a la baja solubilidad que presentan en agua supercrítica. La mayor parte de las patentes que siguieron a continuación fueron encaminadas a solucionar estos problemas.

Respecto al problema de la separación de sales inorgánicas precipitadas en el efluente, la patente US 4.338.199 del año 1982 de MODAR ya propone la separación de los sólidos inorgánicos en un ciclón que recibe el efluente del reactor. En 1989 patentaron un reactor, US 4.822.497, consistente en un gran recipiente a presión que proporciona un ambiente relativamente estacionario en el cual las partículas sólidas caen al fondo del recipiente por el que se inyecta agua fría por lo que se mantiene por debajo de la temperatura supercrítica de tal manera que una pequeña parte del agua condensa y se formará una acumulación de salmuera concentrada por disolución de las sales sedimentadas. La solución de salmuera caliente y presurizada se retira a través de una válvula por el fondo del recipiente reactor. Una modificación a esta patente es la WO9221621 de 1992, en la que la corriente de agua fría se introduce resbalando por la pared del reactor y de esta manera evitando la deposición de las sales en la pared.

En el año 1997, la patente española ES2108627 de Cocero describe un sistema de reactor consistente en una carcasa refrigerada conteniendo una cámara de reacción, que proporciona unos reactores de menor coste por no ser necesario que su carcasa presurizada soporte el ambiente de oxidación y por encontrarse esta carcasa a menor temperatura que la del proceso de oxidación. Para ello, dicha carcasa está refrigerada interiormente, requiriendo así menor espesor, mediante la propia alimentación del sistema o mediante un fluido ajeno al proceso. Continuando con la idea de la pared refrigerada otra forma de realizar la oxidación en agua supercrítica es utilizando agitación.

En la patente ES 2219567 del 2004 publicada por la Comisaria de la Energía Atómica (Francia), se describe como la mezcla del fluido agua/oxidante bajo presión y caliente, y el material a tratar en el tubo interno, puede realizarse mediante agitación mecánica. El flujo tenderla a un régimen equivalente al de un reactor perfectamente agitado o se podría confinar la agitación a volúmenes sucesivos con el fin de mantener en el tubo interno un régimen de evacuación esencialmente cuasi-pistón de la mezcla fluida caliente de agua/oxidante a presión y del material tratado. El enfriamiento de la mezcla fluido/material oxidado en el tubo interno, se realiza con preferencia bajo agitación fuerte.

Otro tipo de reactor de oxidación es el de pared transpirable desarrollado por McGuinness, US 5.384.051, en el año 1996. El reactor consta de una funda permeable que rodea a la cámara de reacción y que se encuentra dentro de la cámara presurizada. La funda aísla la cámara a presión de las elevadas temperaturas y condiciones oxidantes que hay en la zona de reacción, disminuyendo el coste del recipiente a presión. El residuo orgánico se introduce por la parte central de la cámara de reacción y la mezcla de oxidante y agua caliente y presurizada se introduce en la zona de reacción a través de la funda permeable. En la patente US 5.558.783 de 1996, McGuiness propone este mismo sistema para distribuir de forma homogénea el oxidante en una oxidación con llama hidrotermal.

Otra patente en la que se usa un elemento transpirable es la de Aerojet, US 5.387.398, del año 1995. Los residuos orgánicos se oxidan en agua supercrítica en la zona de reacción en un tubo de reactor formado por "platelet", esto es una serie de placas microperforadas que forman conductos en la pared y crean caminos preferenciales haciendo la pared transpirable. El agua supercrítica se inyecta dentro de la sección anular, tanto por el exterior de la sección anular como por la cámara central, a través de los conductos de la pared, formándose una película protectora de agua supercrítica en la superficie que define la zona anular de reacción que mitiga los problemas de corrosión y deposición de sales. El agua a su vez también calienta la mezcla de residuo y oxidante hasta la temperatura de reacción.

Otra patente que busca proteger las paredes de la cámara hidrotermal del calor generado en la llama hidrotermal es la publicada como EP0612697, y US 5.437.798 de Sulzer en la que se describe un inyector refrigerado en su parte externa para evitar el contacto de la llama con las paredes de la cámara de reacción en 1994. Las patente US 5.804.066, EP0820423 (A1) y WO9729050 (A1) de Mueggenburg et al. publicadas en 1997 y 1998 describen un inyector para llamas hidrotermales en las que el combustible, el agua, el residuo y el oxidante se inyectan de forma separada para evitar la oxidación a temperaturas demasiado altas.

Para evitar el precalentamiento, en 1997 McBrayer patentó un reactor de recirculación donde los reactivos fríos se mezclaban con los productos calientes por el efecto de la convección natural (WO9746494, US 6001243 y US 6017460). Continuando con la misma idea, en el mismo año las patentes US9705069 y WO 5.674.405 de MODAR muestra un reactor en que el residuo acuoso orgánico y el oxidante son introducidos en una pequeña cámara de reacción y permite mezclar la alimentación con los productos formados, permitiendo un reciclaje interno del calor. Esta retromezcla permite iniciar la reacción de la alimentación que está entrando a la vez disminuye la cantidad de sólidos formados en el reactor.

Referencias

- C. Augustine, J. W. Tester, Hydrothermal flames: From phenomenological experimental demonstrations to quantitative understanding, J. Supercrit. Fluids 47 (2009) 415-430.

- W. Schilling, E. U. Franck, Combustión and Diffusion Flames at High Pressures to 2000 bar, Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 92 (1988) 631-636.

Descripción de la invención

1. Aparato para la generación de llamas hidrotermales, que se caracteriza porque comprende,