BR112013009468B1

BR112013009468B1 - método e arranjo para separar contaminantes de líquidos ou vapores

Info

Publication number: BR112013009468B1
Application number: BR112013009468-0A
Authority: BR
Inventors: Carl-Gustav Berg; Heikki Jaakkola
Original assignee: Andritz Oy
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2011-10-17
Publication date: 2020-10-13
Also published as: PL2630292T3; UY33672A; ES2533976T3; CL2013001047A1; PT2630292E; CA2815166C; CA2815166A1; EP2630292B1; FI20106079L; JP2014500786A; BR112013009468A2; JP5992423B2; FI20106079A; FI125337B; WO2012052619A1; US8992729B2; FI20106079A0; US20130340960A1; EP2630292A1

Abstract

método e arranjo para separar contaminantes de líquidos ou vapores. a presente invenção refere-se a um método e a um arranjo para separar contaminantes de líquidos, tais como condensados, ou vapores em uma planta de evaporação. os contaminantes são separados de líquidos por destilação por vapor quando se coloca um líquido enriquecido em contaminante em contato direto com um vapor pela aspersão ou distribuição do líquido para o vapor fluindo em um duto de vapor ou sobre superfícies de parede no duto de vapor, assim reduzindo o teor de contaminante do líquido aspergido e produzindo um líquido mais limpo. os contaminantes são enriquecidos no vapor. a partir dos vapores, os contaminantes são separados por absorção, quando se coloca um vapor enriquecido em contaminante em contato direto com um líquido mais limpo pela aspersão ou distribuição do líquido para o vapor fluindo em um duto de vapor ou sobre superfícies de parede no duto de vapor, assim aumentando o teor de contaminante do líquido, mas produzindo um vapor limpo.

Description

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção refere-se a um método e a um arranjo para separar contaminantes de líquidos, tais como condensados, ou vapores em uma planta de evaporação.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Metanol (MeOH) é uma das causas mais importantes de de- manda de oxigênio químico (COD) e biológico (BOD) em correntes de eflu- ente de biomassa ou correntes de licor negro. Os regulamentos ambientais estritos tornam essenciais a segregação e o controle de metanol. Um cozi- mento alcalino de lascas de madeira em moinhos de polpa forma normal- mente de 5 a 20 kg de MeOH/t de polpa, e o metanol, daí, é encontrado em quantidades variáveis em todas as correntes de saída da planta de cozimen- to, a mais importante sendo a corrente de licor negro fraco. Um licor negro fraco é uma corrente essencial para a produção de água limpa reusável, porque simultaneamente forma a fonte de energia chave no moinho de pol- pa, quando é concentrado por evaporação no assim denominado licor negro de ignição e, então, queimado na caldeira de recuperação. O processo de recuperação moderno pode produzir em um moinho de polpa do estado da técnica um excesso de calor e eletricidade.

A água removida do licor negro fraco na planta de evaporação pode conter uma grande quantidade de compostos voláteis, como metanol, etanol, acetona, terebintina e uma grande quantidade de compostos sulfúri- cos. Todos estes componentes então estão parcialmente contidos no licor negro de ignição, mas a maioria delas é separada em condensados secun- dários e gases excedentes não condensáveis.

Os processos de separação modernos em evaporadores têm como alvo a segregação de condensados secundários, de modo que a maio- ria do etanol seja enriquecida em uma fração de condensado relativamente pequena (frequentemente denominada um condensado sujo), a qual pode ser purificada com custos aceitáveis. O metanol concentrado e outros com- postos orgânicos voláteis podem ser queimados na caldeira de recuperação, em um incinerador de gás não condensável dedicado ou na estufa de cal. Isto, por sua vez, reduz o impacto ambiental de metanol com base em bio- massa e também a acumulação de metanol quando da redução do consumo de água doce.

Os moinhos modernos de polpa têm um grau alto de integração de processo, e uma evaporação de licor negro é uma parte muito essencial da circulação moderna de produto químico, água e energia. Isto também foi provado por moinhos modernos de polpa terem um trem de evaporador de estágio múltiplo no centro do moinho de polpa.

A planta de evaporação de licor negro tipicamente compreende uma planta de evaporação de estágio múltiplo com 3 a 7 estágios (Figura 1). A evaporação de estágio múltiplo está em uso em quase todos os moinhos de polpa de sulfato. A sequência de vapor de água é direta a jusante. Este quase sempre é o caso. O vapor de água vivo vem do sistema de distribui- ção de vapor de água de baixa pressão do moinho a uma pressão de 0,35 a 0,45 MPa (absoluta). Isto corresponde a uma temperatura de saturação de 139 °C a 148 °C. O vapor de água vivo é alimentado nos elementos de a- quecimento do primeiro estágio (não mostrado na Figura 1). O vapor gerado no lado de licor do estágio 1 é alimentado através das linhas 15 para os e- lementos de aquecimento do estágio 2 e a partir dali para o estágio 3 e as- sim por diante, conforme indicado pelas linhas 16. Finalmente, o vapor a par- tir do último estágio 6 a uma temperatura de 57 °C a 60 °C condensa em um condensador de superfície 8. Em quase todos os casos, a sequência de flu- xo de vapor de água é numerada de modo que vá do estágio 1 para o pró- ximo estágio numerado como o estágio 2 e assim por diante, e o licor negro tipicamente flui na direção oposta. Na Figura 1, o elemento de aquecimento dos evaporadores é uma lamela formada por duas placas afixadas a cada outra. O líquido a ser evaporado está caindo na superfície externa da lamela, e um meio de aquecimento, tal como vapor, flui dentro da lamela. Isto é des- crito em maiores detalhes na Figura 2.

Existem várias possibilidades para a disposição da sequência de fluxo de licor na planta de evaporação. O número ótimo de estágios depende do equilíbrio de vapor de água do moinho com condições limites, tais como produção de eletricidade, preço de eletricidade, etc. Economizar vapor de água nem sempre é econômico e os cálculos de custo pelo moinho inteiro são necessários para se descobrir a melhor solução caso a caso. A aplica- ção na Figura 1 é típica para um moinho de polpa do norte usando madeira macia como matéria-prima.

O estágio de concentrador 1 é usualmente dividido em várias subunidades, as quais estão em paralelo no lado de vapor de água e em série no lado de licor. Para o lado de licor, a sequência típica é uma sequên- cia de alimentação para trás ou mista. Se a temperatura de alimentação for mais alta do que a temperatura no último estágio e o padrão de alimentação para trás for preferido, o licor terá que passar por uma evaporação flash, an- tes da alimentação dele para o último estágio. O vapor de água que passou por uma evaporação flash a partir do licor fraco quente é misturado, então, com fluxos de vapor de água secundário adequados proporcionando calor latente a estágios mais frios. O fluxo de licor negro é indicado na Figura 1. O licor negro fraco (ou outro licor de pasta de polpa de celulose) na linha 10 é alimentado para o estágio 4, onde o licor passa por uma evaporação flash. Então, o licor é passado através da linha 11 para o estágio 5, onde ele é adi- cionalmente evaporado flash. A partir do estágio 5, o licor é passado através da linha 12 para o estágio 6 para evaporação. O licor é adicionalmente eva- porado nos estágios 5, 4, 3, 2, conforme indicado pela linha 13. O licor eva- porado na linha 14 é retirado do estágio 2 e alimentado para o estágio 1 (não mostrado), em que o licor de produto para queima em uma caldeira de recu- peração é formado.

A carga de BOD (demanda de oxigênio biológico) e COD (de- manda de oxigênio químico) para uma planta de tratamento de água servida pode ser grandemente reduzida pela limpeza e segregação de condensado secundário apropriadamente no sistema de evaporação. E, quando a quali- dade do condensado secundário é suficiente, todo o condensado pode ser usado nos processos de moinho substituindo a admissão de água doce. Isto reduz notadamente a carga ambiental.

Graças a uma separação efetiva de gota, o condensado secun- dário dos evaporadores modernos contém muito pouco sal, tipicamente de 5 a 10 mg Na/I para aplicações de madeira dura. Todos os componentes volá- teis (metanol, compostos de enxofre reduzido total (TRS)) a partir do licor negro podem ser efetivamente separados do condensado secundário na planta de evaporador.

Em evaporadores modernos, um condensado secundário pode ser fracionado dentro de lamelas para as frações de condensados limpos e sujos (veja as Figuras 1 e 2). O condensado sujo gerado tipicamente é pro- cessado, adicionalmente, por uma destilação por vapor (“stripping”) de vapor de água. Um processo de destilação por vapor produz um condensado desti- lado por vapor (limpo) e um combustível de metanol líquido. O fracionamento em cada estágio é selecionado para a maximização da recuperação de me- tanol, enquanto se minimiza o fluxo de condensado sujo. A quantidade de condensado sujo a partir da planta de evaporador tipicamente é de cerca de 15% da quantidade de condensado total e pode proporcionar uma recupera- ção de metanol total de 70 a 80%. A presente invenção (destilação por vapor de duto) pode ajudar a aumentar a capacidade de metanol para perto de 100%, quando combinada com evaporadores que têm uma segregação de condensado interna. A segregação de condensado é descrita abaixo.

O espaço de vapor dentro das lamelas 20 é dividido por costuras de solda diagonais 21 em seções inferiores 22 e superiores 23 (Figura 2). A maior parte do vapor de água alimentado para o evaporador através da linha 28 é condensada na seção inferior produzindo um condensado limpo 24. Uma fração menor do vapor em conjunto com a maior parte do metanol e compostos de TRS é condensada na seção superior 23 e coletada como condensado sujo 25. A área de seção do condensado sujo é de 5 a 30% da superfície de lamela, a mais alta em estágios de evaporador de extremidade de traseira. Um vapor de ventilação é descarregado a partir do conduto 26. O licor a ser evaporado é introduzido através da linha 29 e o licor evaporado é descarregado através da linha 30. O vapor gerado no evaporador é retira- do através da linha 31.

Um fracionamento em cada estágio é selecionado para a maxi- mização da recuperação de metanol, enquanto se minimiza o fluxo de con- densado sujo. A quantidade de condensado sujo a partir dos estágios de evaporador normalmente varia de 5 a 30% do condensado total. No evapo- rador mostrado na Figura 2, a porção do condensado sujo é de 10% do fluxo de vapor total entrando e seu fluxo em massa de MeOH saindo significa 80% do fluxo em massa total entrando de MeOH. Os números correspondentes do condensado limpo são 80% do fluxo em massa total entrando e o fluxo de MeOH saindo equivale a 10% do fluxo em massa total de entrada de MeOH, e o vapor de ventilação é 1 % do fluxo em massa de vapor total de entrada e seu fluxo em massa de MeOH saindo significa 10% do fluxo em massa total entrando de MeOH.

Dependendo da qualidade do condensado e das exigências de recuperação de metanol, o número de estágios de segregação e a área de segregação podem ser selecionados livremente em evaporadores. As fra- ções de condensado secundárias em um evaporador de 6 estágios são mos- tradas na Figura 1. O evaporador de 6 estágios mostrado na Figura 1 tem uma segregação nos estágios 2 a 6 e no condensador de superfície. Fluxos e composições de condensado correspondentes são indicados na Tabela 1.

Na Figura 1, os condensados sujos formados nos estágios 2, 3, 4, 5 são coletados em um tanque de evaporação flash 17 e descarregados através da linha 18. Os condensados sujos (FC) a partir do condensador de superfície 8 e do estágio 6 também são alimentados para a linha 18. Os condensados limpos dos estágios 2, 3 e 4 são descarregados através da linha 19 como um condensado secundário 1 (SC1). Os condensados limpos dos estágios 5, 6 e do condensador de superfície 8 são descarregados atra- vés da linha 27 como um condensado secundário 2 (SC2).

Condensados sujos tipicamente são limpos com vapor de água em uma coluna de destilação por vapor (destilador por vapor), o qual é um vaso cilíndrico em que o líquido para destilação por vapor flui para baixo por gravidade e o vapor de água sobe. O processo de transferência de massa é melhorado por fundos intermediários na coluna que dividem o aquecimento e a desgaseificação do líquido em estágios. O destilador por vapor de conden- sado sujo é posicionado entre os estágios de evaporação 1 e 2 ou 2 e 3. O vapor secundário de um estágio prévio é usado como uma fonte de calor no destilador por vapor. O estágio sucessor tem um pacote de lamela dedicado em que o vapor do topo do destilador de vapor, enriquecido com MeOH e compostos de TRS, é parcialmente condensado (interior) e o licor negro e- vaporado (exterior). O vapor não condensado ainda é parcialmente conden- sado em um pré-aquecedor de licor e o restante dos gases de destilador de vapor flui através de um condensador de equilíbrio. O teor de MeOH em ga- ses excedentes de destilador por vapor (SOG) é ajustado para em torno de 30%, se os gases forem adicionalmente processados para metanol líquido, ou para aproximadamente de 30 a 50%, se os gases forem incinerados em uma fase gasosa. O condensado limpo destilado por vapor a partir do fundo de destilador por vapor pode ser combinado com um condensado secundá- rio limpo.

Os gases excedentes de destilador por vapor podem ser quei- mados (em um incinerador de gás não condensável dedicado / uma estufa de cal / uma caldeira de recuperação) ou retificados em uma coluna de me- tanol para metanol líquido. O metanol liquefeito o qual pode ser armazenado e, então, queimado de uma forma controlada normalmente tem um teor de água de cerca de 20% e é um bom combustível proporcionando cerca de 15 MJ/kg.

A destilação por vapor de condensado sujo integrada tem uma grande vantagem em relação a sistemas alternativos: toda a energia reque- rida para limpeza do condensado sujo pode ser utilizada no evaporador e a destilação por vapor não diminui apreciavelmente a economia de evapora- dor. Tabela 1. Qualidade de condensado a partir do evaporador na Figura 1.

Uma segregação interna e uma externa são combinadas em al guns processos conhecidos. Homkanen et al. patentearam um método na Patente U.S. N° 6.797.125, em que os condensados sujos a partir de um estágio prévio passaram por uma evaporação flash em um destilador por vapor. A fração de condensado puro do evaporador D é purificada no desti- lador por vapor pelos vapores da evaporação flash e a fração de condensa- do de pureza alta resultante é retirada do fundo do destilador por vapor.

Olausson et al. (6) apresentaram um método a seguir na Patente U.S. N° 6.258.206. Em um trem de evaporadores, onde uma segregação interna é usada, uma fração de condensado sujo a partir do estágio 1 é ali- mentada para a parte superior do lado de vapor de água do estágio 2. A fra- ção de condensado limpo do estágio 3 é circulada para a parte inferior do lado de vapor de água do estágio 2. MeOH e outros VOCs são concentrados na fração suja do último estágio. Quando condensados de pureza diferente são alimentados para o lado de vapor de água, o condensado menos con- taminado é primeiramente destilado por vapor pelo vapor secundário limpo, o qual coleta impurezas, mas ainda é capaz de purificar o condensado mais contaminado na parte superior da seção de transferência de calor.

A fração de condensado mais suja é direcionada para uma plan- ta de tratamento de condensado. Uma planta de tratamento de condensado é tipicamente integrada com o trem de evaporadores, e compreende uma coluna de destilação por vapor, um evaporador de dois estágios, uma coluna de liquefação de MeOH e um decantador de terpeno.

Em um arranjo típico representado na Figura 10, um condensa- do sujo na linha 200 é primeiramente preaquecido em um preaquecedor 202 com o condensado destilado por vapor na linha 206 a partir do fundo da co- luna de destilação por vapor 204. Uma coluna de destilação por vapor 204 é uma coluna de bandeja, onde tipicamente um vapor secundário do estágio 1 na linha 228 é usado para a remoção de impurezas do condensado. O vapor aéreo de destilador por vapor contaminado 208 é usado para aquecimento do segundo estágio 210 em uma seção de transferência de calor em sepa- rado, e o condensado é evaporado flash e reciclado de volta para a coluna de destilação por vapor através da linha 212 como um refluxo. Gases não condensáveis (NCG) a partir da área de transferência de calor em separado do segundo estágio podem ser usados para pré-aquecimento (em um pré- aquecedor 214) de licores entre os estágios 2 e 3. Todos os NCGs e os va- pores flash são finalmente direcionados para um condensador de equilíbrio 216, onde a condensação final é feita por água de resfriamento na linha 218. Os condensados resultantes na linha 230 são misturados com a corrente de refluxo de destilador por vapor. Os NCGs do condensador de equilíbrio 216 podem ser queimados na caldeira de recuperação, na estufa de cal ou em um incinerador de NCG dedicado. Uma outra opção é destilar por vapor os NCGs (na linha 220) com vapor 238 em uma coluna de MeOH 222. O vapor aéreo 232 a partir da coluna de MeOH é parcialmente condensado no con- densador 224 com a água de resfriamento 240 para um MeOH líquido, o qual é retirado através da linha 236. Terpenos podem ser separados em um decantador de terpeno em plantas de madeira macia. A corrente de fundo da coluna de MeOH e vapores aéreos condensados a partir do destilador por vapor de condensado podem ser fracionados em um sistema de decantador.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

Há um desejo de melhorar a separação de contaminantes, tais como metanol e TRS, de fluxos de líquidos, tais como condensados de eva- poração, ou fluxos de vapor em uma planta de evaporação. O novo método e o arranjo podem ser praticados em um moinho de polpa, mas eles não es- tão limitados a isto. Um objetivo da invenção é melhorar a separação de con- taminantes, pela destilação por vapor de contaminantes, tais como metanol e TRS, de líquido (condensado secundário) em gotículas ou um filme de lí- quido nos vapores de evaporação pela otimização da massa líquida e da transferência de calor em um duto de vapor. Foi descoberto que isto pode ser feito pela aspersão de líquidos, tais como condensados secundários, em correntes de vapor de evaporador. O líquido limpo pelo novo método é de- nominado um líquido destilado por vapor em duto.

A destilação por vapor de líquido em um duto de vapor é mais favorável do que o tratamento de condensado secundário diretamente em uma coluna de destilador por vapor, pelo menos nesses casos quando há uma necessidade de pré-tratamento, por exemplo, de grandes fluxos de condensado secundário, ou quando o fluxo de condensado secundário desti- lado por vapor em duto pode ser usado diretamente como uma substituição de água potável quente, ou quando o condensado destilado por vapor em duto é adicionado a uma fração de condensado secundário mais limpa, a qual é tão limpa que não precisa de forma alguma ser tratada na coluna de destilador por vapor. Uma destilação por vapor de duto daí é usada primari- amente para a minimização do fluxo de condensado sujo ou de condensa- dos secundários na coluna de destilador por vapor, o que, por sua vez, mi- nimiza o consumo de energia térmica da coluna de destilador por vapor. Uma destilação por vapor em duto também pode ser usada para a produção de um condensado limpo que pode ser usado como substituição para água doce quente.

De acordo com o método inventivo da presente invenção, os contaminantes são separados dos líquidos por meio de destilação por vapor ao se colocar um líquido em contato direto com um vapor em uma planta de evaporação, de modo que um líquido contaminado seja aspergido no vapor fluindo em um duto de vapor, assim se reduzindo o teor de contaminante do líquido aspergido e produzindo um líquido limpo, de modo que os contami- nantes sejam enriquecidos no vapor. O líquido limpo é coletado a partir de um ponto vista de processo na parte mais benéfica do duto de vapor. O enri- quecimento descrito de contaminantes em vapor é denominado destilação por vapor.

De acordo com o método inventivo da presente invenção, os contaminantes são separados de vapores ao se colocar um líquido em con- tato direto com um vapor contaminado em uma planta de evaporação pela aspersão ou distribuição de um líquido mais pobre em contaminante no va- por fluindo em um duto de vapor ou sobre superfícies de parede do duto, assim se aumentando o teor de contaminante do líquido aspergido e produ- zindo um vapor limpo, e pela coleta do líquido enriquecido em contaminante. O enriquecimento descrito de contaminantes em líquido é denominado ab- sorção. As partículas e/ou componentes carreados, tais como ácidos e álca- lis, podem ser separados dos vapores.

O arranjo inventivo é exposto para a purificação de líquidos ou vapores em uma planta de evaporação tendo pelo menos um vaso evapora- dor equipado com um duto de vapor. De acordo com uma modalidade prefe- rida, o duto de vapor é provido com um dispositivo para a aspersão ou a dis- tribuição de um líquido no vapor fluindo no duto de vapor ou sobre superfí- cies de parede no duto de vapor, de modo a se colocar o líquido em contato direto com o vapor, assim se reduzindo o teor de contaminante do líquido ou do vapor.

Um duto de vapor é um duto o qual é conectado a um evapora- dor e através do qual o vapor formado no evaporador é extraído. O duto po- de ser disposto de modo que o vapor seja levado para um outro vaso evapo- rador, de volta para o mesmo evaporador ou para um outro estágio de pro- cesso. A separação de contaminantes, por destilação por vapor ou absor- ção, pode ser melhorada pelo prolongamento do tempo de residência do líquido, tal como um condensado, no duto. A separação é favorecida quando o volume de gás de duto de vapor e a área molhada (isto é, a área de gotí- cula + a área de filme) são tão grandes quanto possível. Isto significa que algumas aplicações de evaporador podem ser mais adequadas para destila- ção por vapor em duto do que outras. Outras variáveis importantes que afe- tam a eficiência de separação são propriedades de aspersão e direção de condensado secundário.

Uma separação de contaminantes pode ser melhorada pelo a- quecimento do líquido aspergido para a temperatura de saturação ou 5 a 10 °C acima da temperatura de saturação do vapor, antes da aspersão.

No novo método, diferentes tipos de contaminantes podem ser separados de líquidos. De acordo com uma modalidade preferida, os conta- minantes são metanol e/ou compostos de TRS (enxofre reduzido total), os quais são contaminantes voláteis comuns em condensados em um moinho de polpa. Tipicamente, o referido líquido a ser aspergido é um condensado, e os referidos contaminantes são pelo menos um dentre metanol e TRS.

Um líquido contaminado, tal como metanol e/ou um líquido enri- quecido em TRS, pode ser aspergido em modo em cocorrente com o fluxo de vapor ou em modo em contracorrente com o fluxo de vapor no duto de vapor, ou qualquer outra direção comparada com o fluxo de vapor. Em con- tracorrente se proporciona uma separação frequentemente mais alta.

De acordo com uma modalidade da invenção, um condensado rico em contaminante (metanol e/ou TRS) é formado em uma planta de eva- poração de estágio múltiplo, e o condensado é aspergido em um duto de vapor a partir do mesmo evaporador de onde o condensado vem, ou a partir de um evaporador precedente ou sucessor. Um líquido contaminado, tal co- mo metanol e/ou um líquido enriquecido em TRS, pode ser limpo em pro- cessos de evaporador que são plantas de estágio múltiplo ou plantas de es- tágio único como plantas de recompressão de vapor feitas funcionar por um ventilador ou um ejetor de vapor de água.

O líquido limpo pode ser usado como um líquido de substituição para água doce no moinho.

O método de acordo com a presente invenção é aplicável a to- das as aplicações de evaporador conhecidas.

No presente método, um líquido ou vapor contaminado pode ser tratado à baixa pressão ou a uma pressão de vapor elevada.

Preferencialmente, o ponto de coleta do líquido limpo / contami- nado (tal como um condensado) em dutos de vapor verticais está localizado após uma curva no fundo da saída de duto de vapor.

Um líquido enriquecido em contaminante também pode ser lico- res de resíduo vindo de qualquer processo de formação de polpa à base de madeira, ou licores de resíduo ou correntes de efluente (tal como uma cor- rente de borra) vindo de qualquer processo de biomassa.

Uma destilação por vapor em duto pode ser usada para a limpe- za de contaminantes de condensado de licor de resíduo de qualquer proces- so de formação de polpa com base em biomassa. O novo método também pode ser usado como um método de absorção de contaminantes de um flu- xo de vapor contaminado em uma planta de evaporação de qualquer pro- cesso de biomassa produzindo combustível, alimento ou produtos químicos. O arranjo para a realização do novo método pode ser facilmente instalado em plantas de evaporação novas e existentes. Os componentes principais são algumas linhas de tubo adicionais e conexões para se levar o líquido para um duto de vapor adequado.

O líquido preferencialmente é suprido através de um tubo de a- limentação, o qual se estende através da parede de duto de vapor para o duto de vapor e o qual é provido com pelo menos um bocal, de modo que o líquido seja aspergido como gotas no fluxo de vapor. No caso em que há vários bocais, eles podem ser distribuídos uniformemente pela largura do duto. O líquido também pode ser aspergido através de aberturas na forma de bocais, os quais são dispostos para suprimento de líquido a partir da pa- rede interna do duto em torno do duto. O líquido também pode ser alimenta- do através dessas aberturas na parede de duto, por meio do que o líquido é distribuído para o duto, de modo que flua como um filme ao longo da parede interna do duto. As aberturas também são dispostas em torno da periferia do duto.

As variáveis cruciais para um sistema de destilação por vapor ou absorção de duto funcionar bem são o fluxo em massa de vapor e conden- sado sujo (ou limpo) (m6, m3), perda de pressão pelo bocal de aspersão (p3- p5), características do bocal, (isto é, geometria de aspersão (cone oco ou cone cheio), distribuição de tamanho de gotícula (diâmetro médio), ângulo de abertura de aspersão (α), velocidade das gotículas (wd)), temperatura de gotícula e temperatura de saturação de vapor (T3, p6),velocidade de goticu- la e vapor (Wd, wç), tempo de residência do duto (T),geometria do duto, equi- líbrio de vapor e líquido (x e y), equilíbrio interfacial (transferência de massa líquida de vapor de água ou não, isto influencia o transporte de metanol), transferência de calor e massa dentro da gotícula e nas paredes de duto (in- fluencia a transferência de massa líquida de vapor de água), veja a Tabela 2 e a Figura 3 para a nomenclatura. Uma operação favorável também é obtida quando se usam bocais comerciais produzindo gotículas menores do que 5 mm e ângulos de abertura de 20° a 180°. A separação é adicionalmente fa- vorecida quando o volume de gás de duto de vapor e a área molhada (= á- rea de gotícula + área de filme) são tão grandes quanto possível. O tamanho de bocal adequado e o número de bocais dependerão do tamanho do pro- cesso, bem como do fluxo em volume do líquido aspergido.

A área de filme no duto pode ser aumentada com elementos de duto internos. A área de filme pode ser aumentada, por exemplo, com um tubo dentro do duto de vapor. O elemento de duto interno tem uma estrutura simples. Ele não tem um efeito considerável sobre os padrões de fluxo de líquido ou gás, ou causa uma perda de pressão considerável. Nenhum ele- mento de preenchimento, o que é usado em torres apinhadas, é usado, mas a seção transversal do duto de vapor é essencialmente livre para o fluxo de vapor. Tabela 2: Variáveis cruciais de processo; veja a Figura 3 para suas localizações.

É benéfico projetar o sistema de destilação por vapor em duto de modo que a taxa de transferência de massa líquida de metanol seja maximi- zada pela otimização das variáveis cruciais listadas previamente para serem tão efetivas em termos de custo quanto possível, ainda se estabelecendo uma separação máxima, por exemplo, perto de 100% de remoção de etanol, veja o exemplo abaixo. Uma remoção perto de 100% pode ser obtida pela utilização desta invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

O método inventivo e os arranjos serão descritos adicionalmente com referência aos desenhos associados, nos quais: a Figura 1 mostra esquematicamente uma planta de evaporação de estágio múltiplo conhecida de licor negro; a Figura 2 ilustra a estrutura de um evaporador de lamela co- nhecido, no qual uma segregação de condensado em condensado limpo e sujo ocorre; a Figura 3 mostra esquematicamente um arranjo de destilação por vapor em duto de acordo com a presente invenção; as Figuras 4 e 5 ilustram esquematicamente o arranjo de teste para a presente invenção: a Figura 4 é um desenho principal para configura- ção experimental e a Figura 5 mostra os pontos de amostragem, bem como os pontos de medição de testes de campo; e as Figuras 6 a 9 mostram resultados de teste da presente inven- ção.

A Figura 10 ilustra um destilador por vapor de condensado sujo integrado e uma planta de metanol líquido.

A Figura 11 mostra resultados de teste de condutividade de con- densado secundário 2, a uma capacidade de evaporação de 80%.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO

Um arranjo para a realização do novo processo de destilação por vapor é mostrado na Figura 3. Os estágios x e x+1 de uma planta de e- vaporação de estágio múltiplo são mostrados. Estes estágios podem ser, por exemplo, os estágios V e VI, da planta de evaporação de licor negro. O licor negro é evaporado no estágio x, de modo que o vapor seja formado. O vapor é levado através de um duto 100 para o próximo estágio x+1. Um condensa- do sujo contendo metanol e outros compostos voláteis é levado através da linha 102 e aspergido por meio de um bocal ou de bocais 104 para o duto de vapor 100. Gotas de condensado entram em contato direto com o vapor, de modo que metanol e outros contaminantes sejam retirados pelo fluxo de va- por. O condensado limpo, denominado condensado destilado por vapor de duto, está correndo para baixo ao longo da parede do duto de vapor e é pre- ferencialmente coletado após uma curva 106 no fundo 108 do duto de vapor, antes da entrada do estágio x+1. O vapor tendo um teor aumentado de con- taminantes voláteis flui no duto 100 para o próximo estágio de evaporação x+1, onde é condensado. O elemento de aquecimento do estágio x+1 é uma lamela 110, conforme descrito em relação à Figura 2, por meio do que uma segregação de condensado ocorre e condensados limpo 114 e sujo 112 são formados na lamela 110. O condensado sujo pode ser adicionalmente trata- do em uma planta de coluna de destilação por vapor do moinho. O conden- sado destilado por vapor de duto na linha 116 pode ser bombeado a partir do duto de vapor 100 diretamente para um processo, onde é usado como água de processo. O condensado destilado por vapor de duto e o condensado limpo 114 também podem ser combinados, mas isto depende de seu teor de contaminantes, tal como metanol, e do uso ótimo de condensados em um processo adicional.

O condensado sujo pode ser aquecido direta ou indiretamente em um trocador de calor 118, antes da aspersão para o duto de vapor 100. O aquecimento contribui para o efeito de destilação por vapor no duto.

Testes de campo em uma planta de evaporador de moinho de polpa de escala completa foram realizados. Análises de metanol e COD (demanda de oxigênio químico) a partir de um teste de moinho de escala completa com um condensado tendo um teor de metanol alto foram realiza- das pela VTT Expert Services Oy em Espoo, Finlândia. O MeOH foi analisa- do com cromatografia de gás de GC-FID e COD com um método de titulação padronizado SFS 5504: 1988. As remoções de MeOH e COD foram calcula- das a partir da equação:

onde S3 e S5 são analisadas (concentrações de MeOH e COD nos pontos de amostragem S3 e S5, veja as Figuras 3 e 4). É assumido que uma pequena mudança na massa de gotícula não afeta o resultado. Ne- nhum dos experimentos excedeu à remoção em equilíbrio. A incerteza de medição de metanol é vista como uma variação maior no metanol removido, se comparado com a remoção de COD.

A Figura 4 ilustra dois evaporadores de licor negro V e VI. O va- por formado no estágio V é levado através de um duto de vapor 120 para o estágio VI. Os condensados SC e SC1 são produzidos no condensador de superfície, conforme descrito em relação à Figura 1. O condensado SC é levado através da linha 124 e aspergido para o duto de vapor 120. O con- densado sujo a partir dos estágios de evaporação e do condensador de su- perfície é levado através da linha 126 e o condensado secundário do estágio V através da linha 128. O condensado destilado por vapor de duto é levado para o estágio VI e descarregado dali em conjunto com o condensado se- cundário formado no estágio VI para a linha 130.

O condensado sujo foi aspergido em um duto de vapor a partir do estágio V da planta de evaporação de licor negro: as rodadas de teste foram realizadas em uma planta de evaporação funcionando a 80% ou 100% da capacidade. A planta de evaporação foi mantida em regime permanente durante os ensaios de teste; o processo de ensaio de teste é descrito nas Figuras 4 e 5.

Na Figura 5, os estágios x e x+1 de uma planta de evaporação de estágio múltiplo da Figura 3 são mostrados. Estes estágios são os está- gios V e VI da planta de evaporação de licor negro. O licor negro é evapora- do no estágio 5, de modo que um vapor seja formado. O vapor é levado a- través de um duto 100 para o próximo estágio 6. Um condensado sujo con- tendo metanol e outros compostos voláteis a partir de um condensador de superfície 132, onde vapor na linha 134 a partir do estágio 6 é condensado, é levado através da linha 102 e aspergido por meio de um bocal ou de bo- cais 104 para o duto de vapor 100. As gotas de condensado entram em con- tato direto com vapor, de modo que metanol e outros contaminantes sejam retirados pelo fluxo de vapor. O condensado limpo, denominado condensado destilado por vapor de duto, está correndo para baixo ao longo da parede do duto de vapor 100 e, preferencialmente, é coletado através do fundo do es- tágio 6. O vapor que tem um teor aumentado de contaminantes voláteis flui a partir do duto de vapor 100 para o elemento de aquecimento do próximo es- tágio de evaporação 6, onde é condensado. O elemento de aquecimento do estágio 6 é uma lamela 110, conforme descrito em relação com a Figura 2, por meio do que uma segregação de condensado ocorre e condensados limpo 114 e sujo 112 são formados na lamela 110. O condensado sujo na linha 112 pode ser adicionalmente tratado em uma planta de coluna de desti- lação por vapor do moinho. O condensado destilado por vapor de duto é le- vado para o estágio 6 e ainda em conjunto com o condensado de vapor a partir do evaporador sucessor 6 através da linha 114 para um processo em que pode ser usado como água de processo.

O condensado sujo pode ser aquecido diretamente na linha 102 pela adição de vapor de água a partir da linha 136, antes da aspersão para o duto de vapor 100. O aquecimento contribui para o efeito de destilação por vapor no duto.

As localizações de amostragem e as medições para a Figura 5 são apresentadas na tabela 3. Tabela 3: Localizações de amostragem e medição mostradas na Figura 5

Os resultados de teste são apresentados nas Figuras 6 a 9. As

Figuras 6 e 7 mostram a remoção de metanol e COD em temperaturas diferentes de condensado (°C), quando a planta de evaporação está funcionando a 80% da capacidade. A Figura 6 mostra a remoção de metanol quando a 5 planta de evaporação está funcionando a 80% da capacidade, o parâmetro é a relação de vazão de condensado secundário para taxa de vapor. A Figura 7 mostra a remoção de COD quando a planta de evaporação está funcionando a 80% da capacidade, o parâmetro é a relação de vazão de condensado secundário para taxa de vapor.

As Figuras 8 e 9 mostram a remoção de metanol e COD em temperaturas diferentes de condensado (°C) quando a planta de evaporação está funcionando a 100% da capacidade. A Figura 8 mostra a remoção de MeOH quando a planta de evaporação está rodando a 100% da capacidade, o parâmetro é a relação de vazão de condensado secundário para taxa de 15 vapor. A Figura 9 mostra a remoção de COD quando a planta de evaporação está funcionando a 100% da capacidade, o parâmetro é a relação de vazão de condensado secundário para taxa de vapor. O parâmetro de legenda 100% nas Figuras 6 a 9 significa que o fluxo em massa de condensado aspergido é igual ao fluxo em massa de vapor de água a partir do estágio 5, a uma capacidade de planta de evaporação de 80% ou 100%. De modo simi- lar, os nomes de legenda (50%, 75%, 115%) nas Figuras 6 a 7 significam que a relação de fluxo em massa de condensado aspergido para o fluxo em massa de vapor a partir do estágio 5 é de (50%, 75%, 115%), quando a ca- pacidade da planta de evaporação for de 80%.

De acordo com os resultados, as remoções de condensado a- quecido (aspersão “quente”) são mais altos do que aqueles a partir de um condensado de aspersão frio. Isto é porque condensados de aspersão de “equilíbrio” ou “quentes” têm mais vapor ao qual eles podem doar seu MeOH e menos transferência de massa líquida de vapor de água a vencer, veja as Figuras 6 a 9. Taxas de remoção mais baixas a uma capacidade de evapo- ração de 100% são causadas por um volume de reator menor (as gotículas são carreadas pelo vapor fluindo rápido) e uma área de parede molhada menor proporcionando um tempo de residência mais curto, r, para o con- densado aspergido.

Tendências de condutividade durante rodadas de teste: os da- dos de condutividade foram acumulados a partir da corrente de condensado secundário total das plantas durante os testes a uma capacidade de evapo- ração de 80%, veja a Figura 11. Uma mudança registrada na condutividade então é principalmente causada por uma mudança nos compostos de TRS, os quais são mais condutivos do que MeOH. Pode ser visto que a condutivi- dade do condensado secundário 2 diminui imediatamente após a aspersão ser começada (no ponto “Ref 1”) e continua a diminuir quando o volume de aspersão é aumentado a partir de 50% para 115% de fluxo (a aspersão foi parada no ponto “Ref 2”). Os pontos 2 a 11 são, portanto, números de roda- da de teste para um conjunto de testes de campo em que a relação de con- densado secundário para fluxo de vapor e a temperatura do condensado secundário aspergido varia. A mudança na condutividade, portanto, foi che- cada em um ensaio de teste posterior, quando a planta de evaporação fun- cionava a uma capacidade de 100%. As medições em laboratório de remo- ção de TRS a partir dos testes de campo de duto de vapor foram calculadas como sendo de mais de 95%, quando a planta de evaporação estava funcio- nando a uma capacidade de 100%.

A parte superior de evaporadores tipicamente é equipada com um separador de gota. Quando um vapor contaminado é formado em um evaporador e levado através de um duto de vapor do evaporador, um líquido pobre em contaminante é aspergido no fluxo de vapor para separação de partículas prejudiciais e componentes do vapor. Isto pode contribuir para ou mesmo substituir a operação do separador de gota, pelo menos até certo ponto.

Os fatores importantes aumentando a função do destilador por vapor de duto são: A) A importância do filme de líquido nas superfícies de duto (fil- me de parede) e a formação do filme de parede (ponto de começo de filme). B) A redução de tamanho de gotícula é aumentada quando da aspersão de forma contracorrente para um fluxo de vapor de velocidade alta. C) O tempo de residência mais curto no duto de vapor a uma capacidade de evaporação crescente diminui a eficiência de remoção.

O novo método de separação da presente invenção assegura condensados secundários mais limpos pela aspersão de condensados de metanol e/ou enriquecidos em TRS em dutos de vapor e pela coleta do con- densado limpo a partir do fundo do duto de vapor, antes do evaporador, ou em conjunto com um condensado limpo de evaporador.

As medições de campo mostraram que a eficiência de remoção de metanol de um destilador por vapor de duto pode ter efeitos por todo o moinho sobre a segregação de MeOH. A separação medida de destilador por vapor de duto em uma planta de escala completa provou ser de cerca de 70% a 90%. Isto torna possível aumentar a recuperação de metanol em 1 a 3 kg de metanol por tonelada de polpa. Este método na Finlândia poderia aumentar a recuperação de metanol para um combustível de metanol em muitos milhões de toneladas por ano. Para isso, as liberações de odor dimi- nuem da mesma forma, conforme necessário, para uso de água bruta doce nesses locais, onde o uso de condensados odorosos não é permitido, por exemplo, em um filtro de lama de cal na planta de caustificação do moinho de polpa. Este método assim torna possível diminuir o consumo de água doce e aquecimento da água doce para a temperatura de processo. Assim, também pode ajudar a reduzir o fluxo de efluente e os custos de tratamento de efluente correspondentes. Uma destilação por vapor de duto é um méto- do efetivo em termos de custos e pode motivar investimentos de sistema de segregação, os quais, em alguns casos, podem ser tão altos quanto 1 euro por tonelada de polpa, quando se olha para uma produção de polpa anual, isto é, de 1000000 t de polpa / ano, poderia motivar um investimento no sis- tema de segregação de condensado de 1.000.000 de euros.

Embora a invenção tenha sido descrita em relação ao que é pre- sentemente considerado como sendo a modalidade mais prática e preferida, é para ser entendido que a invenção não é para ser limitada à modalidade exposta, mas, ao contrário, pretende-se que cubra várias modificações e arranjos equivalentes incluídos no espírito e no escopo das reivindicações em apenso. A presente invenção é descrita acima em maiores detalhes em relação à evaporação de licor negro em evaporadores de lamela. A presente invenção, na qual um líquido é aspergido para vapor em um duto de vapor, é aplicável a todo tipo conhecido de evaporadores. O processo de evaporador pode ser realizado em uma planta de evaporação de estágio múltiplo ou em uma planta de estágio de evaporador único, tal como uma planta de recom- pressão de vapor feita funcionar por um ventilador ou um ejetor de vapor de água.

Claims

1. Método para purificação de líquidos ou vapores em uma plan- ta de evaporação, caracterizado por separar contaminantes de líquidos por destilação por vapor, quando se coloca um líquido enriquecido em contami- nante (102) em contato direto com um vapor por aspersão (104) ou distribui- ção do líquido para o vapor fluindo em um duto de vapor (100) ou sobre su- perfícies de parede no duto de vapor, assim reduzindo o teor de contaminan- te do líquido aspergido e produzindo um líquido limpador, de modo que os contaminantes sejam enriquecidos no vapor, e coletando o líquido limpo, ou por separação de contaminantes a partir de vapores por absor- ção, quando se coloca um líquido em contato direto com um vapor contami- nado pela aspersão ou distribuição de um líquido limpador contaminante no vapor fluindo em um duto de vapor ou sobre superfícies de parede no duto de vapor, assim aumentando o teor de contaminante do líquido aspergido e produzindo um vapor limpo, de modo que os contaminantes sejam enrique- cidos no líquido, e coletando o líquido enriquecido em contaminante.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o líquido limpo (116) ou o líquido enriquecido em contaminante ser removido do duto de vapor ou em conjunto com um condensado de vapor (114) do evaporador sucessor (x+1) ou o líquido limpo ou o líquido enrique- cido em contaminante ser removido tanto do duto de vapor quanto do evapo- rador sucessor.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a separação dos contaminantes ser melhorada pelo prolonga- mento do tempo de residência do líquido no duto.

4. Método, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracteri- zado pelo fato de a separação de contaminantes por destilação por vapor ser melhorada pelo aquecimento (118) do líquido enriquecido em contami- nante (102) até uma temperatura de saturação ou acima da temperatura de saturação do vapor, antes da aspersão.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o metanol e/ou o líquido enriquecido em TRS a ser destilado por vapor serem aspergidos de modo em contracorrente ou em cocorrente.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de o metanol e/ou o condensado enriquecido em TRS serem coletados em uma planta de evaporação de uma planta de bio- massa, e o condensado ser aspergido em um duto de vapor.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de o metanol e/ou o líquido enriquecido em TRS serem limpos em processos de evaporador que são plantas de estágio múl- tiplo ou plantas de estágio único, de modo que uma planta de recompressão de vapor feita funcionar por um ventilador ou um ejetor de vapor de água.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de o referido líquido a ser destilado por vapor ser condensado (102, 104) e os referidos contaminantes serem pelo menos um dentre metanol e TRS.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de o líquido limpo ser usado como um líquido de substituição para água doce em um moinho.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de o ponto de coleta de condensado limpo no du- to vertical (100) estar localizado após uma curva (106) no fundo (108) da saída de duto de vapor.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pela destilação por vapor de contaminantes de um con- densado de licor de água em qualquer processo de formação de polpa com base em biomassa.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pela absorção de contaminantes de fluxos de vapor con- taminado em qualquer processo de biomassa.

13. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de um líquido ou vapor contaminado ser tratado a uma pressão baixa e a uma pressão de vapor elevada.

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de o líquido ser aspergido a partir de ou através da superfície de duto de vapor.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de o líquido ser alimentado a partir de mais de um bocal de aspersão (104).

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de a área de filme no duto ser aumen- tada com elementos de duto internos.

17. Arranjo para a purificação de líquidos ou vapores em uma planta de evaporação que tem pelo menos um vaso evaporador (X, 5) equi- pado com um duto de vapor (100), caracterizado pelo fato de o duto de va- por (100) ser provido com um dispositivo (104) para aspersão ou distribuição de um líquido no vapor fluindo em um duto de vapor (100) ou sobre superfí- cies de parede no duto de vapor, de modo a se colocar o líquido em contato direto com o vapor, assim reduzindo o teor de contaminante do líquido ou do vapor.

18. Arranjo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o dispositivo compreender um tubo de alimentação o qual se estende através da parede de duto de vapor até o duto de vapor e o qual é provido com pelo menos um bocal para aspersão do líquido.

19. Arranjo, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o dispositivo compreender aberturas na parede de duto para a distribuição do líquido para o duto de vapor.

20. Arranjo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 a 19, caracterizado pelo fato de o duto de vapor (100) ser conectado a um conduto (116) para a remoção do líquido.

21. Arranjo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de o duto de vapor (100) ser disposto entre dois vasos evaporadores (X, X+1) de uma planta de evaporação de estágio múl- tiplo.

22. Arranjo, de acordo com a reivindicação 20, caracterizado pelo fato de o ponto de coleta de líquido no duto vertical (100) estar localizado após uma curva (106) no fundo (108) da saída de duto de vapor.

23. Arranjo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 22, caracterizado pelo fato de o dispositivo (104) ser conectado a um siste- 5 ma de condensado (132) da planta de evaporação para levar um condensado (102) até o duto de vapor (100).