Procedimiento catalítico de pirólisis flash para la obtención de bio-oil o biofuel a partir de materias poliméricas carbonadas.

La invención se denomina "Procedimiento catalítico de pirolisis flash para la obtención de bio-oil o biofuel a partir de materias poliméricas carbonadas".

Es un procedimiento de pirolisis de alta eficacia, mediante la adecuada catálisis y control de la atmósfera de reacción, para generar bio-oil, consistente en una mezcla líquida de hidrocarburos de cadenas lineales y ramificadas. Su objeto es un procedimiento físico-químico de pirolisis catalítica de materias poliméricas (residuos, plásticos, biomasa) para producir biofuel, similar al generado mediante el fraccionamiento del crudo. Se describe como un procedimiento de pirólisis bajo una determinada configuración de equipos y empleo de catalizadores y aditivos, que maximiza la producción de combustible líquido, minimizando la generación de gases y sólidos. Su principal aplicación es una solución tecnológica sostenible basada en el empleo de aditivos y catalizadores de pirólisis para transformar biomasa y residuos con alta eficiencia y producir combustibles líquidos de alto valor.

a) Título de la invención.

Procedimiento catalítico de pirolisis flash para la obtención de bio-oil o biofuel a partir de materias poliméricas carbonadas.

b) Objeto de la invención Procedimiento físico-químico para controlar, parametrizar y desarrollar un conjunto de reacciones químicas englobadas dentro de pirolisis catalítica, maximizando la producción de combustible líquido.

La invención genera, a tenor de su configuración, la producción durante un proceso de ingeniería química, de un combustible líquido que puede ser fraccionado y del cual se extraen fracciones ligeras tipo gasolina, keroseno, fracciones medias del tipo gasóleo y fracciones más pesadas similares al fuelóleo.

e) Antecedentes de la invención El solicitante tiene conocimiento del empleo en la actualidad de métodos o procedimientos para la obtención de líquidos combustibles a partir de degradaciones termoquímicas de biomasa, entendida como sustrato lignocelulósico o de determinados polímeros plásticos.

Gran parte de los procedimientos desarrollados hasta la actualidad derivan en unas altas temperaturas de reacción, superiores a los 600 QC y consiguen una transformación termoquímica de los materiales biomásicos en gases. Estos gases son mayoritariamente COz, CO, CH4, Hz y una mezcla de hidrocarburos de cadena corta, es decir de 1 a 4 carbonos. Este gas es similar al denominado gas de síntesis.

Otros procedimientos se desarrollan a una elevada temperatura y unas altas presiones, de forma que se pueden clasificar dentro de los procesos de gasificación. Estos procesos presentan una alta inestabilidad y un difícil manejo de la reacción de gasificación.

Los procesos de pirolisis a alta presión y temperatura presentan el gran inconveniente de generar una alta cantidad de asfaltos (de características bituminosas) derivados de productos inquemados. Estos productos son generados por procesos poco eficientes en los que sobre la materia prima no se ha completado las reacciones de craqueo. Estos alquitranes se acumulan en el reactor de piro lisis o son arrastrados por el gas apareciendo en importantes cantidades al realizar el tratamiento de lavado del gas generado.

Para mantener el proceso de reacción los otros procesos requieren una alta tasa de recirculación de un agente como portador de calor, así como soporte de agitación. Este agente suele ser alúmina, silicatos o vapor de agua elevada presión. Se trata de un fluido que se comporte a la vez como agente recirculante y como difusor térmico.

En otros procedimientos industriales para procesar naftas ligeras y otras fracciones de refinerías convencionales se utilizan alúminas cloradas, ya que estas favorecen termodinámicamente la formación de productos ramificados. Los productos ramificados poseen un gran interés pues elevan el número de octanos del combustible resultante. Estas alúminas cloradas necesitan una aportación constante de cloro, ya que se desprende de forma continuada del catalizador, al realizarse el intercambio molecular. Estos procesos presentan varias desventajas y son muy sensibles a elementos extraños y contaminantes presentes en la materia prima, afectan en gran medida a la corrosión de los equipos y suponen un riesgo ambiental de proceso.

d) Novedades del procedimiento La originalidad de esta invención se centra en el propio procedimiento y en el conjunto de aditivos que permiten desarrollar la reacción de pirolisis flash en condiciones ventajosas para producir líquido combustible.

Se define como piro lisis flash aquel proceso de piro lisis termoquímica en ausencia de oxígeno en el que se realiza de forma rápida una transferencia de calor superior a 200ºC en un periodo de tiempo inferior a 1 segundo.

Una novedad es la combinación de operaciones unitarias y la mezcla de catalizadores y aditivos con la que es posible rebajar la temperatura de la reacción entre 100 y 170 ºc. Se establece una ventana de parámetros (temperatura, intercambio térmico, agitación y presión) que maximiza la producción de líquido.

Otra novedad es el craqueo térmico por aporte de calor y agitación que se desarrolla bajo condiciones de presión y temperatura de la mezcla del reactor y que, gracias a las condiciones de reacción y a la dureza de los aditivos coadyuvantes consigue una transferencia de calor necesaria para el desarrollo de una reacción de piro lisis flash.

El conjunto de reacciones que se desarrollan en el reactor químico son del tipo termoquímicas y requieren una importante aportación de calor para su inicio. Es novedoso en este procedimiento caracterizar el comportamiento de las reacciones de tipo cracking que se realizan en presencia de catalizadores y aditivos de reacción y que conducen el equilibrio termodinámico de forma mayoritaria a la producción de líquido.

Otra novedad es la relativa a la utilización de una mezcla de catalizadores, aditivos iniciadores de reacción, aditivos coadyuvantes y aditivos de regulación e intercambio, que permite producir un líquido combustible estable que puede emplearse como sustituto de los combustibles derivados del petróleo. Entre las novedades inventivas que presenta dicha mezcla destaca la utilización de los siguientes productos como aditivos:

• Arcilla roja para iniciar la reacción de pirolisis (0, 5-2%)

• Ácidos carboxílicos o policarboxílicos como coadyuvantes como captadores de oxigeno. (0, 5-10%)

• Bentonitas sódicas y cálcicas como capturadores de agua dentro del reactor (15%)

• Silicatos para elevar la dureza de la mezcla (1-10%)

Catalizadores La finalidad de los catalizadores es la de reducir la velocidad de reacciones secundarias hacia productos no deseados (gases y alquitranes) y mejorar la selectividad de una reacción cambiando el rendimiento hacia la generación de líquido combustible. El catalizador no sufre transformación química durante la reacción, pero no puede considerarse como una sustancia inerte.

El proceso utiliza catalizadores de la familia de los aluminosilicatos tipo zeolitas que son muy activos, estos compuestos sufren transformaciones en las etapas del mecanismo de la reacción. Estos catalizadores modifican el mecanismo por el que transcurre la reacción facilitando la formación de complejos intermedios de menor nivel energético y provoca una reducción de las energías de activación directamente relacionadas con la velocidad del proceso.

Se dosifican en el inicio de reacción tras el primer calentamiento de la materia prima en una proporción de 0, 25 al 2% del total de la materia prima.

Una importante novedad inventiva consiste en la adición de aditivos para obtener una máxima producción de hidrocarburos líquidos a baja temperatura. Con a dosificación estequiometria de los aditivos y catalizadores es posible disminuir la temperatura de reacción en un rango de 100-170 ºc.

Aditivos Iniciadores Son compuestos químicos que se adicionan en la etapa de mezclado y que propician el inicio de las reacciones químicas. Estos compuestos son arcillas ricas en óxidos de hierro, en especial las arcillas rojas con mayor contenido en óxidos ferrosos. La utilización de este tipo de arcillas es novedoso en este tipo de procesos de pirólisis,

Se dosifican a la entrada del mezclador secundario en proporciones de 0, 5 al 2%

Aditivos Coadyuvantes Productos químicos que ayudan a conseguir que el proceso de pirolisis se desarrolle en las condiciones adecuadas. Su utilización permite regular las condiciones de rozamiento, dispersión, penetración, suspensión y lubricidad. Generan las condiciones de activación de los catalizadores, es decir, aquellas condiciones en las que los catalizadores empleados desarrollan la máxima eficiencia.

La adición de compuestos derivados de ácidos carboxílicos o policarboxílicos actúa como captadores de oxígeno producido en la reacción. Estos reaccionan con el oxígeno presente en el medio de reacción generando COz. La proporción de estos productos depende del oxígeno presente en las materia primas, variando su proporción del 0, 5% para el caso de plásticos hasta un 10% en el caso de biomasa. Se dosifican en el reactor.

La novedad inventiva consiste en la utilización de compuestos derivados (que contengan) de ácidos carboxílicos o policarboxílicos como aditivos captadores de oxigeno en el lecho del reactor.

Para materiales lignocelulósicos se dosifican bentonitas sódicas que reaccionan con el agua presente en el reactor.

Otra novedad inventiva consiste en la utilización de bentonitas sódicas como aditivos en procesos de piro lisis como capturadoras de agua presente en el reactor.

Para elevar a dureza total de... [Seguir leyendo]

1.

2.

3.

Un procedimiento para obtener líquidos combustibles a partir de materiales poliméricos carbonados (residuos, plásticos y biomasa) , que combina lleva a cabo un proceso de pirólisis flash con máxima eficiencia y que comprende las siguientes operaciones unitarias:

Homogenización. Intercambio térmico. Eliminación de oxígeno. Mezclado con catalizadores y aditivos. Craqueo térmico en condiciones controladas de temperatura (220

450°C) , presión (-1 a 2 atm) , agitación (50-600 rpm) , oxígeno (1-10 ppm) y atmósfera de N2 . Destilación.

Fraccionamiento Un procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado porque permite transformar las materias primas de manera eficiente mediante su combinación adecuada con:

Catalizadores (en proporción del 0, 25 al 2%) . Aditivos iniciadores (en proporción de 0, 5% al 2%) . Aditivos coadyuvantes (en proporción entre el 0, 5 yeI10%) . Aditivos de regulación e intercambio (en proporción hasta un pH mayor

que 5) . Un procedimiento según las reivindicaciones anteriores, en el que la acción de los catalizadores y aditivos, previamente mencionados, permite:

Una disminución en la generación de partículas volátiles generadas, en comparación con otros procedimientos similares. El empleo de condiciones moderadas de presión en la pirólisis flash. La reducción de temperatura durante dicha pirólisis entre 100 Y 170°C,

en comparación con otros procedimientos propuestos en la literatura, con el consecuente ahorro energético, que se manifiesta en un consumo reducido entre 0, 3 y 3 kWh por kg de materia prima.

El control adecuado del lecho de reacción en cuanto a la viscosidad, la dureza de sus componentes y el rozamiento dinámico.

Minimiza la producción de sólidos no procesados. Maximiza la producción de hidrocarburos líquidos, en comparación con otros procedimientos descritos en la literatura.

Un proceso que no requiere cloro y que, por tanto, reduce el impacto a medio y la corrosión de lo materiales.

4. Un procedimiento según las reivindicaciones anteriores que implica el empleo de una mezcla de catalizadores y aditivos de las siguientes características:

Catalizadores entre los que destacan aluminosilicatos tipo zeolitasde estructura porosa con diámetros de poro mínimos entre 3 y 30 Angstroms, en una proporción entre 0, 25 y 2% del total de la materia presente en el lecho de reacción.

Arcillas ricas en óxidos de hierro, que fomentan la hidrogenación en el

núcleo de reacción (0, 5 -2%) , reduciendo notablemente la generación de sólidos no procesados.

Derivados de ácidos carboxílicos o policarboxílicos, que causan la captura del oxígeno generado en la reacción de craqueo, procedente de los distintos tipos de materiales poliméricos y biomásicos. Se adicionan en proporción del 0, 5 % para el caso de plásticos hasta un 10% en el caso de biomasa.

Bentonitas sódicas y cálcicas (1 -5%, con al menos un 3% en bentonitas cálcicas) , que mejoran el rendimiento del proceso.

Silicatos (1 -10%) .

5. Un procedimiento según las reivindicaciones anteriores que se caracteriza porque la mezcla de materias primas, catalizadores y aditivos, junto con la energía aportada al proceso en forma de energía térmica y cinética, que se realiza en un tiempo de residencia inferiores a 2 minutos en el cuerpo del reactor, genera líquidos combustibles similares a los obtenidos por destilación y refino de petróleo.