BRPI0609875A2 - aparelho de retificação usando uma bomba de calefação - Google Patents

Abstract

APARELHO DE RETIFICAçãO USANDO UMA BOMBA DE CALEFAçãO. A presente invenção refere-se a um aparelho para extração e concentração e condensação e concentração final subseqúentes de um componente facilmente evaporável de uma mistura preferivelmente aquosa permite que o calor necessário para a extração e a concentração seja transferido através de um corpo de transmissão de calor comum (3), onde o calor é derivado da condensação do vapor gerado pela extração e concentração, cujo vapor através da compressão usando uma bomba de calefação (26) obteve o aumento no ponto de ebulição necessário para a condensação. O aparelho é compreendido de duas seções, a saber, uma seção de extração e concentração ou primeira seção (1) e uma seção de condensação e cocentração final ou segunda seção (2), as ditas seções sendo unidas ao redor de um corpo de transmissão de calor comum (3) que forma uma parede divisória, cada seção sendo também definida por um alojamento horizontal parcialmente cilíndrico (13) e uma parede de extremidade em cada extremidade. Cada uma das seções é provida com um rotor de atomização (4) adaptado para arremessar o líquido de cada lado do fundo do alojamento horizontal parcialmente cilíndrico (13) para dentro contra o corpo de transmissão de calor comum, um canal de líquido axial (5) provendo uma passagem contínua do liquido através do aparelho que se estende ao longo do fundo.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "APARELHODE RETIFICAÇÃO USANDO UMA BOMBA DE CALEFAÇÃO".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se a um aparelho para extração econcentração e uma condensação subseqüente e concentração final de umcomponente facilmente evaporável de uma mistura preferivelmente aquosa,onde o calor necessário para a extração e concentração é transferido atra-vés de um corpo de transmissão de calor comum. O calor surge da conden-sação do vapor gerado pela extração e concentração, cujo vapor através dacompressão usando uma bomba de calefação obteve o aumento no pontode ebulição necessário para a condensação.

Descrição da Invenção

De acordo com a invenção, o aparelho é compreendido de duasseções, a saber, uma seção de extração e concentração ou primeira seção euma seção de condensação e concentração final ou segunda seção, as ditasseções sendo unidas ao redor de um corpo de transmissão de calor comumque forma uma parede divisória, e cada seção sendo também definida porum alojamento parcialmente cilíndrico substancialmente horizontal e umaparede de extremidade em cada extremidade, e onde cada uma das ditasseções é provida com um rotor de atomização adaptado para arremessar olíquido de cada lado do fundo do alojamento horizontal parcialmente cilíndri-co para dentro contra o corpo de transmissão de calor comum, um canal delíquido axial provendo uma passagem contínua do líquido através do apare-lho se estendendo ao longo do fundo.

A função do aparelho é caracterizada em que o contato entre olíquido, vapor e a superfície de transmissão de calor é realizado peia misturado líquido sendo arremessado contra a dita superfície por meio do rotor deatomização, dessa maneira extraindo e concentrando a porção facilmenteevaporável. O vapor gerado é feito para condensar na segunda seção pormeio da bomba de calefação, assim desprendendo calor para o processo deevaporação contínuo. A condensação acontece por meio do contato diretoentre o vapor e a superfície de transmissão de calor, a dita superfície assimagindo como uma superfície de resfriamento, e pelo resfriamento do con-densado resultante junto com o condensado recirculado e depois retornandopara o rotor de atomização colocando-o em contato com o vapor mais quen-te por meio da recirculação. Assim, uma condensação adicional do vapor éobtida, e em ambos os casos, o condensado tem uma concentração maiorda porção aquosa do que no vapor, e o vapor restante foi submetido a umefeito de concentração dupla quanto à concentração da porção facilmenteevaporável do vapor durante uma recirculação única do condensado. Peloestabelecimento de um número suficiente de recirculações, uma extraçãocompleta da porção facilmente evaporável pode ser realizada e para certosprodutos uma condensação completa do vapor. As seqüências de processodescritas podem somente ser realizadas alcançando um fluxo contínuo deambos líquido e vapor, isso sendo obtido por meio de um canal de líquidoaxial.

O aparelho é utilizável para muitas misturas diferentes, o foco,entretanto, sendo direcionado para misturas aquosas contendo metanol ouamônia, onde as misturas de amônia e água são particularmente difíceis pa-ra tratar, desde que no último caso, a diferença nos pontos de ebulição éaproximadamente 133°C, enquanto a diferença é somente aproximadamen-te 22°C para etanol e água em pressão atmosférica.

As fábricas de retificação ainda usam evaporadores que contêmcanos como superfícies de transferência de calor, os ditos evaporadoressendo projetados como evaporadores de tiragem descendente ou como e-vaporadores de recirculação, a maior desvantagem do método sendo que aevaporação inteira acontece com uma remanência que foi obtida na suaconcentração final. A mesma desvantagem é mencionada em conjunto comos trocadores de calor do tipo de placa tendo encontrado um certo uso re-centemente. A seção de extração de uma coluna convencional com fundoscampaniformes, fundos de peneira ou insertos de contato de tipos diferentespode ficar entupida, desde que existe uma grande quantidade de matériaseca capaz de formar incrustações, que novamente podem se desprender,assim impedindo a passagem do líquido. Em conjunto com tais sistemas,pode ser necessário iniciar com a decantação ou filtragem, que pode seronerosa para executar e a matéria seca removida não será extraída.

O sistema com o rotor de atomização lançando o líquido contrauma superfície de transmissão de calor prove várias vantagens. O rotor podeser projetado como descrito em EP 1 185 346 B1, isto é, construído comuma seção intermediária de sustentação em formato de tubo central providacom um número adequado de cavidades em formato de U soldadas nela, asditas cavidades sendo abertas na direção de rotação do rotor. No fundo dorecipiente, as bordas externas das cavidades mergulham uns poucos milí-metros no líquido, as ditas cavidades assim coletando o líquido que é arre-messado para fora pelas forças centrífugas durante a rotação continuada, odito líquido formando uma nuvem concentrada de pequenas gotículas dasbordas das cavidades para o lado interno da parede do alojamento e cau-sando impacto na superfície da superfície de transmissão de calor. A nuvemgira com a velocidade do rotor de atomização, enquanto as gotículas sãoarremessadas para fora com uma velocidade de aproximadamente 10 m/s,assim uma diferença relativa na velocidade entre o líquido e o vapor de umamédia de até 30 m/s é obtida, assim resultando em um contato efetivo entreo líquido e o vapor, por meio disso um equilíbrio entre a porção facilmenteevaporável no líquido e no vapor é obtido para cada recirculação.

Um tal sistema, onde o líquido é colocado em contato com a su-perfície de transmissão de calor sob grande força por meio do rotor de ato-mização, adicionalmente tem o efeito que o aparelho é capaz de tratar líqui-dos com uma grande quantidade de matéria seca sem desenvolver incrusta-ções na superfície do evaporador e dessa maneira reduzindo a transmissãodo calor, e a superfície de transmissão do calor é assim projetada de modoque toda a superfície é pulverizada diretamente. Isso é realizado pela fabri-cação da dita superfície de um material de lâmina, o dito material sendo do-brado em dobras verticais em formato de V em uma maneira conhecida porsi, as aberturas das ditas dobras alternadamente viradas para os rotores deatomização nas duas seções. Com unidades maiores, pode ser vantajosofabricar a superfície de transmissão de calor de lâminas retangulares solda-das juntas de modo que elas formam superfícies em formato de V. Se o cor-po de transmissão de calor é feito de tubulação, somente o lado virado parao atomizador permanece livre de incrustações. Assim, o sistema prove umavantagem principal comparado com os sistemas convencionais, isto é, pormanter as superfícies de transmissão de calor isentas de incrustações.

Nas colunas de extração verticais convencionais com fundoscampaniformes, fundos de beira ou vários insertos de contato, o fluxo dolíquido é somente conduzido pela gravidade e pode assim somente funcio-nar com misturas de líquido que contêm uma quantidade minoritária desubstâncias capazes de formar incrustações, por cuja razão um pré-tratamento da decantação ou filtragem é necessário, resultando em maiorescustos de investimento e consumo de energia. Evaporadores (caldeiras derecozer) para tais sistemas operam pela evaporação do componente com oponto de ebulição mais alto, e assim não é possível utilizar a elevação razo-avelmente grande na temperatura, que pode ocorrer, quando extraindo aporção facilmente evaporável de certas misturas de líquido. Esse problemafoi resolvido pela extração e concentração acontecendo no mesmo volumeenquanto simultaneamente atingindo um efeito de contracorrente continua-mente prosseguindo.

A vantagem de ter uma contracorrente efetiva entre o líquido e ovapor durante a extração é atingida por meio de canais de líquido caracteri-zados pelos aspectos da reivindicação 2. De preferência, eles se estendemao longo de todo o comprimento do aparelho e encostam com vedação nasduas superfícies de extremidade com as conexões de entrada e saída emextremidades opostas dos canais. O canal é adequadamente formado pormeio de uma placa retangular que forma um lado do canal em formato de V,enquanto o segundo lado é provido pelo lado interno do alojamento parcial-mente cilíndrico. Na sua borda superior, a placa é articuladamente retida emuma distância adequada para a parede do alojamento, enquanto a borda defundo é retida por meio de mecanismos ajustáveis de modo que um vão éformado entre a placa e a parede interna. O canal é formado em uma distân-cia adequada do fundo do alojamento, onde o rotor de atomização é monta-do de modo que o líquido arremessado para fora contra a parte da paredeinterna posicionada acima do canal flui de volta para dentro do canal. Aqui,um pouco do líquido junto com o líquido, que nesse meio tempo fluiu parafrente, flui para o rotor de atomização através do vão no fundo de modo aser arremessado para fora novamente. A parte restante do líquido flui parafrente axialmente no canal e para a próxima etapa do processo de modo aser finalmente removida do aparelho como remanência.

Além do mais, o aparelho de acordo com a invenção tem os as-pectos revelados na reivindicação 3. Assim, existe uma contracorrente naseção de condensação entre o vapor de condensação que flui para frente ea porção do condensado extraída como refluxo na extremidade do aparelho,onde o vapor comprimido é suprido. O condensado restante junto com o va-por de condensação flui para a extremidade oposta do aparelho, onde ocondensado é retirado como produto, e onde existe uma conexão para venti-lar o aparelho.

Desde que ambos os fundos das duas seções e os rotores deatomização são montados horizontalmente, todo o movimento axial do líqui-do acontece no canal, onde o líquido é suprido para o rotor de atomizaçãocontrolando a largura do vão. A velocidade do vapor fluindo através do apa-relho pode variar opcionalmente um pouco através da seção transversal doaparelho devido às influências do líquido recirculando, mas a porção fluindocom a maior velocidade tem uma concentração um pouco menor de líquidofacilmente evaporável no vapor, isso sendo parcialmente contrabalançadopelo fato que a troca da matéria e temperatura entre o líquido e o vapor éaumentada como uma conseqüência da maior diferença nas concentrações.

O uso do aparelho para extração e concentração do etanol émais simples do que o tratamento de misturas tendo conteúdo de nitrogênioe gás C02, onde a condensação completa da amônia não pode ser realiza-da, parcialmente por causa da grande diferença nos pontos de ebulição eparcialmente por causa dos conteúdos do gás C02. Assim, o novo sistemapossui a vantagem importante que o líquido pode ser suprido e retirado docanal de líquido axial, o aparelho dessa maneira sendo capaz de absorveramônia e extrair o gás C02.

Tratamento do caldo de fermentação com bio-etanol.

Na seção de extração e concentração do aparelho, a operaçãode uma etapa começa com a expulsão do líquido do rotor de atomização,assim alcançando o contato entre o líquido e o vapor correspondendo com ocontato em uma etapa de uma coluna de retificação convencional, mas comuma única recirculação do líquido, o líquido bate na superfície de transmis-são de calor, onde no começo o vapor gerado tem uma concentração consi-deravelmente mais alta de etanol do que o líquido de onde o vapor é gerado.

Assim, a extração e a concentração resultam em duas vezes o rendimento, eo refluxo pode ser reduzido por aproximadamente a metade, assim obtendouma diminuição correspondente no consumo de energia.

Depois da compressão, o vapor assim gerado pela extração econcentração é suprido para uma seção de condensação e entra em contatocom a superfície de transmissão de calor, que aqui age como uma superfíciede resfriamento, e o condensado resultante tem uma concentração mais altade água do que o vapor tendo formado o condensado. O vapor restante as-sim obteve uma concentração maior de etanol. Ao mesmo tempo, o conden-sado obtido é resinado junto com o condensado recirculado e quando eletiver fluído para o rotor de atomização e for expulso, isso resulta em umacondensação adicional do vapor por meio do contato com o vapor maisquente e uma concentração correspondente do vapor restante. Novamente,efeito duplo é assim obtido por uma única recirculação do concentrado.

Se a concentração mais alta possível de etanol é para ser obtidausando esse processo, o processo pode ser executado em maneiras diferen-tes. Se uma parte da concentração tão grande quanto possível é para acon-tecer durante a condensação, menos refluxo é necessário, mas foi verificadoque a mistura a ser evaporada tem um maior conteúdo de água do que éobtido com a concentração completa na seção 1, assim causando um menorconsumo de energia para a evaporação. Para ter uma idéia do consumo teó-rico da energia, um cálculo por meio de um diagrama de McCape-Thiele po-de ser executado, onde os cálculos são baseados em mol. Iniciando com,por exemplo, 10.000 kg de caldo de fermentação tendo uma quantidade deetanol puro de 1.000 kg, que pode somente ser concentrado até 88 % emmol devido ao ponto eutético, a concentração original sendo aproximada-mente 4,16 % em mol, a dita concentração ficando em equilíbrio com o va-por tendo uma concentração de etanol de aproximadamente 29 % em mol, orefluxo mais o produto pode ser aproximadamente 88/22 = 4 em uma colunaconvencional, mas desde que o sistema opera com o efeito aproximadamen-te duplo, o refluxo mais o produto pode ser esperado de ser 2. Assim, o va-por a ser comprimido é:

1000 kg/46 kg/kmol x (100/88) x 2 = 49,41 kmol.

A aplicação de uma pressão de sucção de 0,5 ata e uma contra-pressão de 1,5 ata resulta em um volume de vapor de 22,4 x 49,41 x336/273°C x 1 /0,5 = 2725 m3/h.

O consumo de energia é: 1,4/0,4 x 5000 x 2725/3600 x (-1 +(1,5/0,5)(0'4/1'4)) = 4884 kg m/s = 47,9 kW/h

47,9 kW/h (1000/0,95 kg/L) = 0,0455 kW/kg 95 % em peso deetanol = 0,036 kW/L 95 % em peso de etanol.

Assumindo um preço de aproximadamente 0,45 DKK/kWh, quenão é incomum para uma tal finalidade, o custo para 1 L de etanol é 0,016DKK, com base em uma eficiência de 100%, assumindo que uma eficiênciacomparativamente boa é obtenível.

Tendo assim trazido o vapor até próximo da composição eutéticana seção de extração e concentração, a parte final da concentração podevantajosamente acontecer na seção de condensação e sem qualquer custodimensionando o rotor de atomização com o número necessário de recircu-lações do condensado. Além do mais, embora a temperatura da remanênciana saída corresponda com o ponto de ebulição da água, a temperatura nãofica a mais do que 1 grau acima do ponto de ebulição do etanol, ou aproxi-madamente 20 a 22°C abaixo do ponto de ebulição da água, na saída dovapor para a bomba de calefação. Em fábricas convencionais com coluna deretificação, caldeira de recozer e bomba de calefação, somente a remanên-cia é que é evaporada, e é somente o vapor com a máxima concentração deetanol que é condensado, e os fabricantes declaram abertamente que émais econômico deixar a bomba de calefação operar com uma baixa tempe-ratura ou diferencial de pressão. Em princípio, a bomba de calefação operana mesma pressão de sucção ou condensação, com ambos o sistema novoe o convencional, no último caso, entretanto, uma queda de pressão consi-derável tem que ser esperada quando o vapor flui através das colunas porcausa da sua altura de até 30 m.

Aqui, a posição do corpo de transmissão de calor dentro do vo-lume do processo do novo sistema é vantajosa em que a diferença de tem-peratura fica em média 10 a 11°C mais alta, e portanto, a diferença de tem-peratura disponível para o sistema antigo é aproximadamente 7°C e7+10,5°C para o novo sistema. Quando dimensionando as superfícies detransmissão de calor dos dois sistemas, contanto que elas tenham a mesmacapacidade e que o coeficiente de transmissão de calor seja idêntico emambos os sistemas, obtém-se:

Área, novo sistema, x 17,5°C = área, sistema antigo, x 7°C, as-sim obtendo:

Área, novo sistema = área, sistema antigo x (7/17,5 = 0,40 =40%), mas desde que ambas a extração e a concentração no novo sistematêm duas vezes o rendimento, isso significa que desde que o processo acon-teça no próprio volume do processo, é possível obter a mesma capacidadecomo com o sistema antigo usando uma superfície de transmissão de calortendo uma área de aproximadamente 20% da área necessária com o siste-ma antigo, e assim alcançar uma economia considerável nos custos de in-vestimento.

O contato entre o condensado recirculado e o vapor é particu-larmente efetivo, e, portanto, não existe dúvida que o sistema é operacional.Um detalhe importante nesse contexto é que a passagem contínua do con-densado através do aparelho é controlada por meio do canal de líquido axial,e se as conexões do cano são estabelecidas em ambas as extremidades docanal, é possível extrair uma parte do condensado na contracorrente com ovapor, o que corresponde com a quantidade de refluxo. Na extremidade o-posta do aparelho, onde a última parte do vapor é condensada, é assim pos-sível extrair o produto com um máximo de aproximadamente 88 % em molde etanol.

Como um resultado das temperaturas em paralelo para a extra-ção e condensação, o consumo de energia é particularmente baixo, adicio-nado ao que está o fato que não existem despesas para estabelecer umacoluna convencional de extração e concentração, onde as ditas despesaspodem ser consideráveis, já que essas são colunas com uma altura de até30 m, e com uma perda principal quando o vapor flui através da coluna, aperda sendo dependente do tipo de inserto de contato selecionado, mas emqualquer caso resultando em um consumo maior de energia.

Com cada etapa, onde o vapor se move para obter concentra-ções idênticas de etanol em ambos o condensado e o vapor, o aumento naconcentração do etanol se torna menor, e quanto mais alta a concentraçãodesejada a atingir, mais etapas têm que ser estabelecidas. Assim, a quanti-dade de refluxo necessária depende disso e da concentração do produtobruto na entrada do aparelho. Refluxo mais produto, por exemplo, pode ser2, onde 50% do condensado têm que ser recirculado para a seção de extra-ção, enquanto os 50% restantes de vapor são condensados em paralelocom o condensado sendo extraído como produto, e é suficiente aplicar umnúmero consideravelmente reduzido de etapas para a concentração e assimuma diminuição na quantidade do refluxo, temperatura e diferencial de pres-são, tudo resultando em economias consideráveis de energia.

Misturas compreendendo uma quantidade de amônia a ser se-parada exigem um tratamento que é dependente da concentração de amô-nia na mistura. Adubo líquido, por exemplo, tem uma concentração compara-tivamente pequena, enquanto concentrações consideravelmente mais altassão envolvidas quando utilizando a capacidade da mistura de amônia/águaabsorver C02 na forma de bicarbonato de amônio.

Depois da exposição à desgasificação, o adubo líquido tem umconteúdo de nitrogênio de aproximadamente 0,3%, predominantemente pre-sente na forma de bicarbonato de amônio. Quando aquecido para acima de70°C, ele dissocia para C02 e uma mistura aquosa de amônio e amônia. Seo adubo líquido foi preaquecido para o ponto.de ebulição na entrada para aseção de extração do aparelho, o dito adubo líquido gera um vapor com osuprimento de calor subseqüente quando em contato com a superfície detransmissão de calor, o dito vapor tendo uma concentração de amônia emequilíbrio com a amônia no adubo líquido, isto é, a concentração no vapor éaproximadamente 10 vezes mais alta do que no adubo líquido tendo geradoo vapor. Durante o fluxo do adubo líquido para a saída da remanência, inclu-indo sendo repetidamente arremessado para fora contra a superfície detransmissão de calor, e com cada contato com ela, o adubo líquido gera umaquantidade de vapor tendo uma concentração de amônia em equilíbrio como adubo líquido evaporando, isto é, se o adubo líquido compreende 0,1% deamônia, o vapor gerado contém aproximadamente 1%, uma razão aplican-do-se a uma faixa comparativamente grande. Com o contato com a superfí-cie aquecida, o adubo líquido flui de volta para o rotor de atomização e éarremessado para fora novamente, assim entrando em contato íntimo com ovapor fluindo em contracorrente, o dito vapor tendo uma temperatura maisalta e uma concentração de amônia menor, assim resultando em uma trans-ferência adicional da amônia do adubo líquido para o vapor. A extração exi-ge energia térmica para extrair ambos o líquido suprido bem como o refluxoopcionalmente requerido. Para a realização desse processo, é uma condiçãoque a extração progrida continuamente com recirculação repetida do adubolíquido, isso sendo atingido pelo adubo líquido passando através do aparelhono canal axial. Simultaneamente com a evaporação da contracorrente, o va-por extraído flui de volta para a entrada do adubo líquido para continuar daípara a próxima seção do processo junto com o gás C02, que não está ligadono adubo líquido nem no vapor, e assim não tendo praticamente influênciana extração e concentração.

Quando o adubo líquido tiver alcançado a saída da remanência,tendo gerado o vapor de amônia/água, ele retorna através da área de seçãotransversal livre da seção, ficando em contato constante com o adubo líquidorecirculado, por meio disso um equilíbrio entre a concentração de amônia noadubo líquido e no vapor é mantido em todos os momentos. Ao mesmo tem-po, essa construção simples permite a possibilidade de operar com um con-teúdo de matéria seca considerável no adubo líquido, de operar como umaseção de extração e de reduzir o consumo de energia da bomba de calefa-ção obtendo contracorrente completa, desde que o equilíbrio entre o adubolíquido e o vapor é obtido novamente depois da centrifugação do rotor deatomização, e a seguir, quando o adubo líquido bate na superfície de calor, ovapor gerado tem uma concentração de amônia consideravelmente mais altado que o adubo líquido. Um pré-requisito para obter uma remanência com-pletamente livre de amônia, entretanto, é manter um alto valor de pH.

Tendo sido comprimido para uma temperatura de condensaçãoadequada, o vapor é circulado para a seção de condensação no fim do apa-relho, onde a temperatura é mais alta. O vapor é circulado continuamenteatravés de todo o aparelho, enquanto a porção do condensado correspon-dendo com o refluxo de contracorrente do vapor é circulada de volta para aseção de evaporação.

Ao mesmo tempo, o vapor restante, que constitui o produto, con-tém a quantidade total de C02 e continua a fluir para a extremidade opostado aparelho enquanto concentrando simultaneamente o gás C02, onde umaquantidade de água é adicionada suficiente para purificar o gás e para ab-sorver as últimas sobras de amônia que alcançam um equilíbrio com a águapura.

A água junto com o condensado obtido flui de volta em contra-corrente para o vapor. No começo, existe somente uma pequena condensa-ção direta da amônia/vapor de água por causa do alto conteúdo de gás, maso líquido - água e condensado - arremessado contra a superfície de resfria-mento é resfriado, e quando ele é subseqüentemente arremessado para foraem contato com o vapor mais quente, a condensação necessária do vapor éatingida, e com cada recirculação do líquido, um novo equilíbrio entre a a-mônia na água e no vapor é obtido. Quando o vapor tiver alcançado a con-centração necessária, e o condensado obtido é circulado de volta para a se-ção do evaporador na forma de refluxo, uma saída para a mistura extraídade amônia/água é estabelecida.

O gás de combustão contendo uma quantidade de gás C02, re-movível pela purificação com uma mistura de amônia e água, sai na formade uma mistura de bicarbonato de amônio e água. O purificador descrito naPatente DK No. 173513 pode ser usado como purificador, desde que é aquipossível adicionar meios líquidos em locais diferentes no canal de líquidoaxial, de modo que a purificação final pode ser executada, por exemplo, comágua pura.

Depois de ter passado pelo purificador, a mistura do líquido érefluída para o aparelho para decomposição do bicarbonato de amônio emgás CO2 e amônia, e desde que a purificação pode ser realizada com umaconcentração de amônia consideravelmente mais alta no líquido de purifica-ção do que no adubo líquido, a extração somente, ou talvez um refluxo muitomodesto, é suficiente, e a bomba de calefação pode assim operar com umpequeno diferencial de pressão e um baixo consumo de energia. Um con-sumo de energia teórico de 15 kW somente para a bomba de calefação pararemover 1 tonelada métrica de gás C02 com compressão adiabática é atin-gível, e aparenta que esse sistema satisfaz uma necessidade mesmo comuma eficiência de bomba modesta.

Breve Descrição dos Desenhos

O aparelho e suas várias funções são explicados em detalhesabaixo e com referência aos desenhos, onde

a figura 1 mostra uma seção transversal do aparelho de acordocom a invenção e

a figura 2 mostra uma seção horizontal através do aparelho deacordo com invenção.

Melhores Modos para realização da Invenção

As figuras 1 e 2 mostram uma seção transversal do aparelhocompreendido de uma seção de extração e concentração 1 e uma seção decondensação e concentração final 2, bem como um corpo de transmissão decalor comum 3 separando as duas seções constituindo a parede comum en-tre as duas seções. O restante das paredes do alojamento é preferivelmenteparedes parcialmente cilíndricas 13 e paredes de extremidade providas comuma parte fixa 7 para montagem dos mancais do rotor de atomização 8, en-quanto uma abertura restante nas paredes de extremidade é fechada pormeio de coberturas removíveis 9 providas com várias conexões para líquidoe vapor e simultaneamente agindo como uma cobertura de bueiro. Em prin-cípio, os componentes das duas seções são por si conhecidos e idênticos,sua função, entretanto, difere. Cada seção é provida com um rotor de atomi-zação 4 e um canal de líquido axial 5, cuja função é parcialmente controlar oinfluxo do líquido para o rotor de atomização 4 e parcialmente garantir otransporte axial da mistura de líquido através do aparelho, o dito transportetendo que ocorrer horizontalmente devido ao modo de operação. O corpo detransmissão de calor comum 3 é provido com uma grande área de superfíciee uma grande dureza dobrando a placa em dobras em formato de V acentu-adas 6, conforme figura 2, em uma maneira conhecida por si, as ditas do-bras alternadamente virando para a abertura para o sistema de atomizaçãona seção de evaporação 1 e o sistema de atomização na seção de conden-sação 2, e onde a operação na seção 1 é baseada no arremesso do produtobruto para fora contra as superfícies de transmissão de calor com muita for-ça, e onde um contato efetivo entre o líquido e o vapor é obtido durante oarremesso do líquido para fora do rotor de atomização para causar impactona superfície de transmissão de calor.

A seção de evaporação 1 é provida com uma entrada de líquido10 para o produto bruto a ser tratado tendo um componente facilmente eva-porável, ou, se concentração adicional é requerida, com uma entrada para orefluxo. No último caso, o produto bruto tem que ser suprido para o canal dolíquido axial 5 em uma posição 24 relativamente correspondendo com a exi-gência de calor para a concentração por um lado e a extração por outro lado.

A remoção do líquido da remanência acontece em uma saída 11.0 trata-mento do produto bruto entre a entrada e a saída é controlado pelo canal emformato de V 5 formado entre uma placa inclinada 12 e a parede do aloja-mento 13. A borda superior 14 da placa inclinada 12 é articuladamente retidaem uma distância adequada para a parede do alojamento, de modo que ocanal é provido com a área transversal requerida para o fluxo axial do líqui-do, enquanto a borda inferior é ajustavelmente retida de modo que um vãoajustável 15 é formado, através do qual a mistura do líquido pode fluir para orotor de atomização 4 junto com a mistura do líquido que flui de volta do cor-po de transmissão do calor 3 do outro lado para a centrifugação repetida. Aporção da mistura do líquido centrifugada que causa impacto na parede aci-ma do canal flui de volta para dentro do dito canal, e o vão 15 no fundo docanal tem que ser ajustado de modo que um aumento possível na viscosida-de é compensado e uma queda adequada do nível do líquido no canal é ob-tida para conduzir o fluxo do líquido para a saída da remanência 11. A pas-sagem gradual contínua da mistura do líquido através do aparelho é contro-lada controlando a entrada 10 e a saída 11 de modo que a bomba de calefa-ção opera com um consumo de energia constante.

O rotor de atomização que arremessa para fora o líquido, assim,compreende parcialmente a porção que causa impacto na parede acima docanal 5, parcialmente a porção que causa impacto no corpo de transmissãode calor e aqui a construção do rotor de atomização 4 permite atingir o pro-gresso desejado do arremesso/atomização. O dito rotor é construído comuma seção intermediária de sustentação em formato de tubo central 16 pro-vida com um número adequado de cavidades em formato de U 17 soldadasnela, as ditas cavidades sendo abertas na direção de rotação do rotor. Pelaadaptação da dimensão transversal e da profundidade da cavidade, bemcomo a inclinação para a circunferência do rotor, um contato efetivo entre olíquido e o vapor, bem como um fluxo suficiente de líquido para a superfíciede transmissão de calor para evaporação é obtido durante o arremesso emtoda a área transversal do alojamento. Ao mesmo tempo, a superfície podeser mantida livre de incrustações mesmo quando usando um conteúdo dematéria seca elevado, desde que o líquido é arremessado com grande velo-cidade. O rotor 4 é montado na proximidade do fundo do aparelho, e quandoo conteúdo de líquido no aparelho é pequeno, as bordas acentuadas 18 dascavidades podem mergulhar tão profundamente no líquido que elas enchemcom líquido durante a sua passagem, e tão logo o líquido nas cavidades sejatrazido para cima pela velocidade rotacional do rotor, a força centrífuga em-purrará o líquido além da borda externa 18 da cavidade em uma película,dessa maneira rapidamente desintegrando em pequenas gotículas formandouma nuvem concentrada contígua 19, a dita nuvem se estendendo da bordada cavidade para o impacto na parede do aparelho e na superfície de trans-missão de calor 6 e girando com a velocidade do rotor de atomização.

Quando a mistura do líquido é arremessada para fora contra a superfície detransmissão de calor, a última é suprida com uma quantidade de líquidoconsideravelmente maior do que a quantidade para evaporar, e, portanto, asmudanças de concentração não são tão extensivas de modo a impedir umequilíbrio praticamente completo entre a concentração do componente facil-mente evaporável no vapor e no líquido.

O vapor gerado na seção de extração e concentração 1 flui paradiante em direção a uma saída 20 diretamente levando a uma bomba decalefação 26, opcionalmente através de uma proteção contra espirros inseri-da. Durante isso, o vapor é impedido de circular como um resultado do rotorde atomização 4 mergulhando no líquido no fundo, e portanto, nuvens giran-do para frente de gotículas de líquido 19 têm que penetrar no vapor, onde asgotículas têm uma velocidade absoluta de aproximadamente 10 m/s, masatingirão uma velocidade relativa com relação ao vapor, a dita velocidadepossivelmente sendo na faixa em uma média de 30 m/s e assim um contatoparticularmente efetivo entre o líquido e o vapor é realizado.

Durante o fluxo da mistura de líquido através do canal de líquidoaxial 5 com saídas repetidas para o rotor de atomização 4, todo o movimentoaxial será em sentido oposto ao vapor gerado, e durante cada arremesso umcontato íntimo entre a mistura do líquido e o vapor na área transversal livre éobtido, e dessa maneira, um equilíbrio entre a concentração da fase facil-mente evaporável no líquido e no vapor é alcançado antes que o líquido en-tre novamente em contato com a superfície de transmissão de calor. Desdeque a quantidade de líquido recirculado é muitas vezes maior do que a quan-tidade de vapor, o vapor gerado durante a evaporação fica em equilíbrio coma mistura de líquido evaporando, e desde que o vapor gerado tem uma con-centração maior da porção facilmente evaporável do que o líquido, a concen-tração da porção facilmente evaporável no líquido é reduzida. Depois da e-vaporação, quando o líquido flui de volta para o rotor de atomização e é no-vamente arremessado para fora, ele entra em contato com o vapor da con-tracorrente tendo uma temperatura mais alta e gma concentração mais baixada porção facilmente evaporável da mistura. Esse desequilíbrio é resolvidopelo vapor desprendendo o calor para o líquido, assim fazendo surgir umaevaporação adicional da porção facilmente evaporável, isto é, durante cadaetapa uma porção facilmente evaporável é transferida para o vapor em duasmaneiras, parcialmente pela evaporação direta do líquido na superfície detransmissão de calor e parcialmente por meio do contato subseqüente entreo líquido e o vapor durante a expulsão do líquido. Como um resultado daextração e retificação sendo executadas no volume do processo, os custospodem ser economizados para uma coluna de extração separada, desdeque toda a quantidade de um componente facilmente evaporável pode serextraída estabelecendo um número suficiente de etapas, e como um resulta-do da saída dupla durante a extração, economias consideráveis com relaçãoao consumo de energia são feitas comparadas com uma fábrica convencio-nalmente construída.

Em princípio, a extração do etanol e amônia é idêntica a despei-to das grandes diferenças de temperatura e pressão e o fato que existe umaquantidade de gás C02 que tem somente pequena influência na extração daamônia, desde que depois de ter sido extraído do adubo líquido, o gás juntocom o vapor é imediatamente levado para a próxima etapa do processo.

Como mencionado acima, a extração e concentração do bio-etanol são comparativamente simples, e desde que normalmente uma con-centração mais alta possível de etanol é desejada, o caldo da fermentaçãotem que ser suprido para o aparelho em 24 devido ao fato que o refluxo daseção de condensação 2 é levado de volta para a seção de evaporação 1através da entrada 10. O vapor de metanol extraído e concentrado é com-primido 26 e suprido para a seção 2 através da entrada 27. O vapor conden-sa em contato com a superfície de transmissão de calor 6 aqui agindo comouma superfície de resfriamento, e desde que o etanol já foi concentrado tan-to quanto possível na seção de evaporação 1, a concentração de etanol docondensado formado na seção 2 é idêntica a no vapor, e assim, não existeconcentração em conjunto com a condensação. O condensado obtido juntocom o condensado recirculado é resfriado, e quando ele é subseqüentemen-te arremessado para fora para contato com o vapor, uma condensação adi-cional do vapor acontece, e assim, toda a operação é executada com umefeito de concentração dupla. A concentração é controlada controlando aquantidade do produto extraído através da saída de etanol 22, e a extraçãodo refluxo 25 é controlada pelo rotor de atomização operando com consumoconstante de energia.

Se o produto da seção 1 não foi concentrado tanto quanto pos-sível, o vapor que flui da entrada 27 para a superfície de resfriamento formaum condensado tendo uma concentração de etanol menor do que o vapor, eo vapor restante é assim concentrado. Ao mesmo tempo, o condensado ob-tido junto com o condensado recirculado é resfriado, e quando ele é trazidopara contato com o vapor depois de ter sido arremessado para fora, o vaporé condensado e assim o vapor restante é concentrado. Assim, o etanol éduplamente concentrado com cada recirculação do condensado, e é possí-vel tratar o caldo da fermentação completamente sem uma coluna conven-cional de extração e concentração, desde que é possível implementar umabomba de calefação tendo a capacidade necessária, e não é difícil obter onúmero necessário de recirculações para o condensado. Assim é possívelatingir a concentração necessária por meio da condensação de contracor-rente entre o vapor e o condensado. O condensado correspondendo com orefluxo é extraído 25 da extremidade do canal de líquido 5, onde o vaporcomprimido é suprido 27, o refluxo é levado de volta para a entrada 10 daseção 1 e é retornado para a extração e concentração do processo.

O vapor a seguir deixado na seção 2 é concentrado tanto quantopossível, e constitui o produto, e, portanto, a parte final da condensação éuma condensação pura sem concentração, e o vapor e o condensado po-dem fluir para a extremidade oposta da seção em paralelo, onde o conden-sado é extraído do canal de líquido axial 5 através da saída 22, enquanto ovapor é completamente condensado. Entretanto, a cobertura de extremidadeé provida com uma conexão de ventilação 21 para remover os componentesopcionalmente não condensáveis. Como é evidente, é possível construir umaparelho para extração e concentração do etanol a partir de um caldo defermentação sem a necessidade de usar uma coluna convencional, porémresultando em economias consideráveis.

Um aparelho de construção idêntica pode ser usado para tratarmisturas que compreendem uma quantidade de bicarbonato de amônio, porexemplo, para tratamento de adubo líquido suprido através da entrada 24,desde que a concentração de amônia é tão baixa que é necessário operarcom concentração adicional, e o refluxo é levado de volta para a seção deextração através da entrada 10. A extração é praticamente independente daquantidade de gás C02) que continua a fluir no processo junto com o vaporcontendo amônia extraída, o último sendo concentrado durante sua passa-gem para a saída 20 para a bomba de calefação 26. A transferência de calordurante a extração não apresenta dificuldades, desde que o adubo líquido éarremessado contra a superfície de transmissão do calor e o refluxo na partede concentração da seção 1 é destilado puro, o que também não causa difi-culdades.

Depois da compressão por meio da bomba de calefação 26, amistura de vapor/gás é levada através da entrada 27 para a seção 2 e fluipara a extremidade oposta da seção sob contato constante com a superfíciede transmissão de calor. Assim, o condensado obtido fica em equilíbrio como vapor tendo provido o condensado, o que significa que a concentração deamônia no condensado é somente aproximadamente 1/10 da concentraçãono vapor, e o vapor restante foi assim concentrado. Adicionalmente, o con-densado arremessado para dentro contra a superfície de transmissão decalor, a dita superfície agora agindo como uma superfície de resfriamento, éresfriado, e quando o dito condensado tiver escoado para baixo para o rotorde atomização 4 e tiver entrado em contato com o vapor de contracorrentemais quente depois de ter sido arremessado para fora, o último resultandoem uma concentração adicional do vapor de amonia, cada recirculação docondensado transporta com ele uma concentração dupla da amonia no va-por, e assim é óbvio que a amonia pode ser suficientemente concentradasem investir em uma coluna de concentração convencional.

No começo da condensação, existe uma pressão parcial minori-tária que deriva do gás C02) a dita pressão aumentando à medida que o va-por condensa, e isso pode ter o efeito secundário que o gás seja transporta-do junto durante a condensação do vapor, e desde que o dito gás não podeser condensado, ele formará uma camada cobrindo a superfície de resfria-mento, a dita camada impedindo que o vapor contate a superfície de resfri-amento. Para um condensador convencional, isso pode ter um efeito com-pletamente devastador, enquanto com o novo sistema, entretanto, isso temsomente um efeito limitado, desde que o gás não impede que o condensadoseja arremessado contra a superfície de resfriamento e assim seja resfriado,possivelmente junto com o condensado do vapor carreado com o condensa-do que é arremessado para fora. Durante o arremesso subseqüente comcontato entre o líquido e o vapor, o condensado resfriado em contato com ovapor mais quente recebe uma concentração adicional.

Quando o vapor, durante a condensação, tiver progredido porenquanto no aparelho que o condensado de refluxo necessário na contracor-rente com o vapor é levado de volta para a seção 1 da saída 25 na seção 2para a entrada 10 na seção 1, o vapor com a concentração crescente de gásCO2 poderia continuar a fluir no aparelho em paralelo com o condensadoobtido, mas desde que a pressão parcial do gás aumenta, a temperatura decondensação cai tão drasticamente que o calor de condensação não podeser transferido para a evaporação, e a ventilação do gás é acompanhada porum volume correspondente de vapor, resultando em uma perda para a eva-poração. A solução de introdução de um corpo evaporador adicional na se-ção 1 é um tanto complicada, e foi verificado que o problema é resolvidocom o novo sistema absorvendo amonia com a água suprida.

No novo método, um volume de água é suprido para o canal delíquido axial na conexão da cobertura de extremidade 23, o dito volume sen-do suficiente para obter uma purificação efetiva de gás C02 e a condensa-ção completa da amônia no vapor. Subseqüentemente, a água continua jun-to com o condensado absorvido em contracorrente com o vapor e o gás ecom absorção constante do condensado, até que a quantidade de amôniano condensado corresponde com o conteúdo de nitrogênio do adubo líquido,absorvido do canal de líquido axial através de uma conexão de saída 28 po-sicionada onde a concentração desejada é atingida.

O gás co2 é levado para fora através da conexão de saída 21.O gás pode ser condensado, no caso em que existe uso para ele, entretanto,o compressor pode ter que entregar uma pressão na faixa de 7 MPa (70bar), essa solução sendo atingível, desde que fábricas de resfriamento exis-r" tem usando o dito gás como um refrigerante.

A solução obtida para realizar uma separação econômica daamônia e C02 de uma solução que compreende bicarbonato de amônia po-de opcionalmente também ser uma alternativa para a remoção do gás C02do gás de combustão com amônia, desde que uma mistura de amônia/águapode separar o gás pela purificação de uma tal mistura em uma temperaturaadequada. Um fator contribuinte para essa solução muito econômica é o fatode que a ligação de 44 kg de C02 usa somente 17 kg de amônia, que porsua vez é recuperada. A purificação pode ser executada por meio do apare-lho revelado em EP 1 185 346 B1, desde que é possível adicionar meioslíquidos em locais diferentes no canal de líquido axial de modo que a purifi-cação final pode ser executada com, por exemplo, água pura.

Depois de ter passado pelo purificador, a mistura líquida é leva-da para a seção 1, entrada 10 do aparelho, ou, se a concentração é requeri-da, para a entrada 24 tendo uma posição adequada entre a entrada 10 e asaída 11, correspondendo com a concentração requerida. A entrada de su-primento não precisa ter uma conexão fixa com o canal de líquido, desdeque o rotor de atomização trará o líquido suprido imediatamente para recir-culação regular. Desde que a separação do gás C02 pode ser realizada emuma concentração de amônia comparativamente alta, é esperado que so-mente a extração pura ou somente a concentração leve seja necessária, eassim, a bomba de calefação tem condições de operação favoráveis. Umconsumo teórico de energia de 14 kW com compressão adiabática de umaquantidade de vapor correspondendo com a extração de 1 tonelada métricade gás CO2 somente para acionar o compressor é aparentemente atingível,e desde que o aparelho pode prover a extração e a concentração sem a ne-cessidade de uma coluna convencional de extração e concentração, o inves-timento é um tanto modesto. A única desvantagem do sistema é a pequenacapacidade de uma única unidade comparada com as necessidades de umafábrica de energia.

Claims (5)

1. Aparelho para extração com concentração e condensação econcentração subseqüentes de um componente facilmente evaporável deuma mistura preferivelmente aquosa, onde o calor necessário para a extra-ção e a concentração é transferido através de um corpo de transmissão decalor comum (3), onde o calor é derivado da condensação do vapor geradopela extração e concentração, cujo vapor através da compressão usandouma bomba de calefação (26) obteve o aumento no ponto de ebulição ne-cessário para a condensação, o dito aparelho sendo compreendido de duasseções, a saber, uma seção de extração e concentração ou primeira seção(1) e uma seção de condensação e concentração final ou segunda seção(2) , as ditas seções sendo unidas ao redor de um corpo de transmissão decalor comum (3) que forma uma parede divisória, cada seção sendo tambémdefinida por um alojamento horizontal parcialmente cilíndrico (13) e uma pa-rede de extremidade em cada extremidade, e onde cada uma das ditas se-ções é provida com um rotor de atomização (4) adaptado para arremessar olíquido de cada lado do fundo do alojamento horizontal parcialmente cilíndri-co (13) para dentro contra o corpo de transmissão de calor comum, um canalde líquido axial (5) provendo uma passagem contínua do líquido através doaparelho que se estende ao longo do fundo.

2. Aparelho de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que cada um dos canais de líquido axiais é parcialmente definido poruma placa ajustável que forma um vão ajustável no fundo dos canais.

3. Aparelho de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizadopelo fato de que a seção de extração e concentração (1) é provida com umaentrada de líquido (24), posicionada no fundo do alojamento parcialmentecilíndrico (13), entre as paredes de extremidade do alojamento (13) e comuma saída de remanência (11) posicionada no fundo do alojamento parcial-mente cilíndrico (13) adjacente a uma primeira parede de extremidade (9) doalojamento, e com uma saída de vapor (20) na segunda parede de extremi-dade oposta, e que a saída de vapor (20) é conectada na seção de conden-sação e concentração final (2) por uma entrada de vapor (27) por meio deuma bomba de calefação (26), a dita entrada de vapor sendo disposta naprimeira parede de extremidade da seção de condensação e concentraçãofinal (2) adjacente à primeira parede de extremidade (9) da seção de extra-ção e concentração (1), e que a seção de condensação e concentração final(2) é provida com uma saída de refluxo (25) disposta no fundo do alojamentoparcialmente cilíndrico (13) adjacente à primeira parede de extremidade eem conjunto com uma entrada de refluxo no fundo da seção de extração econcentração (1) adjacente à sua segunda parede de extremidade, e comuma saída de condensado (28) posicionada no fundo entre suas duas pare-des de extremidade, e com uma saída de vapor (21) disposta na segundaparede de extremidade oposta à primeira parede de extremidade.

4. Aparelho de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelofato de que a seção de condensação e concentração final (2) é provida comuma entrada de água quente (23) no fundo em proximidade com a segundaparede de extremidade.

5. Aparelho de acordo com uma ou mais das reivindicações 1-4,caracterizado pelo fato de que o aparelho é parte de um sistema para remo-ver C02 do gás de combustão, onde a mistura de amônia e água é supridapara um purificador, onde o gás de combustão é suprido para uma extremi-dade do purificador e a mistura de amônia/água é suprida para a outra.