PT1975537E - Processo para a mistura e para a fusão contínuas de sais inorgânicos assim como instalação de fundição para a execução do processo - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO

"PROCESSO PARA A MISTURA E PARA A FUSÃO CONTÍNUAS DE SAIS INORGÂNICOS ASSIM COMO INSTALAÇÃO DE FUNDIÇÃO PARA A EXECUÇÃO DO PROCESSO" A presente invenção refere-se a um processo para a fusão contínua de sais inorgânicos.

Os sais inorgânicos fundidos da natureza acima referida são utilizados em diferentes instalações industriais enquanto meio de armazenamento de calor ou enquanto meio de transferência de calor. Os sais inorgânicos fundidos são particularmente utilizados para o armazenamento de calor em centrais solares térmicas ou outras centrais térmicas para o armazenamento de calor excedentário de instalações de evacuação de ar e para a transferência de calor (aquecimento) ou para a evacuação de calor (arrefecimento) em reatores químicos à escala industrial.

Neste caso os sais fundidos comparativamente com meios de armazenamento de calor ou meios de transferência de calor orgânicos apresentam a vantagem de apresentarem uma capacidade térmica (calor específico) muito elevada e poderem ser utilizados mesmo mediante temperaturas elevadas devido à reduzida tendência para a decomposição e aos elevados pontos de vaporização. Além disso os sais inorgânicos são acessíveis e estão mundialmente disponíveis.

Durante a produção de energia elétrica em centrais solares térmicas, que recentemente experienciaram um desenvolvimento considerável [Sonne, Wind und Wárme [Sol, 2

Vento e Calor], 11 (2004) 54-56; http://www.solarmillennium.de] podem ser utilizados sais inorgânicos fundidos enquanto meio de armazenamento de calor.

Neste caso o armazenamento de quantidades de calor produzidas a partir de técnicas solares representam um desafio particular, considerando que a produção de energia elétrica tem de ser igualmente assegurada durante a noite.

Para o referido efeito são por exemplo utilizadas misturas de nitrato de potássio (KN03) e de nitrato de sódio (NaN03) numa proporção de 40%/60% em peso (ponto de fusão aprox. 250°C) no estado liquido, que são armazenadas em recipientes de armazenamento, muito grandes, termicamente isolados. A mistura de sais durante o dia é aquecida a uma temperatura elevada Τχ, por exemplo 400°C, com o auxilio da energia solar agrupada em feixes e armazenada num depósito quente. Durante a noite a massa fundida de sais quente é retirada do depósito quente e conduzida através de um sistema de permuta de calor, sendo que uma parte do calor armazenado para a produção de eletricidade é consumida por meio de turbinas a vapor. Neste caso a massa fundida de sais é arrefecida a uma temperatura T2, por exemplo 290°C, sendo, ainda liquida, armazenada num depósito frio a aprox. 290°C. Durante o dia a referida massa fundida através de uma parte da energia solar irradiada volta a ser aquecida a uma temperatura elevada de 400°C, transferida para o depósito quente, sendo que o ciclo se pode repetir.

Os depósitos de armazenamento de centrais solares térmicas comerciais com aprox. 50 Megawatts de potência comportam por exemplo aproximadamente 30.000 toneladas da massa 3 fundida de sais armazenada e apresentam dimensões na ordem de grandeza de 30 m de diâmetro e de 15 m a 20 m de altura.

Para a colocação em funcionamento de um sistema de armazenamento de calor da referida natureza o sal ou a mistura de sais tem de ser pelo menos levada à temperatura do depósito frio.

Para a colocação em funcionamento do sistema de armazenamento de calor de uma central solar térmica com aproximadamente 50 Megawatts de potência concretamente isto significa, que uma massa de 30.000 toneladas da mistura de nitrato de potássio/nitrato de sódio acima referida tem de ser aquecida a 290°C - 300°C e armazenada num depósito de armazenamento isolado.

Para a fusão de quantidades tão grandes de sais inorgânicos ou de misturas de sais das matérias-primas cristalinas não podem ser utilizados fornos de fundição ou um aquecimento no recipiente. A fusão de uma quantidade de sais tão grande no recipiente devido à má condutibilidade térmica das matérias-primas cristalinas conduziria apenas a inícios de fusão localizados, exigindo um período de tempo longo irreal, até que a massa total de sal fosse fundida.

Da US 4 042 318 A é conhecido um forno para a fusão de sais inorgânicos, que apresenta um depósito interior e um depósito exterior, que estão dispostos de forma aninhada um no outro. Entre as paredes do depósito encontra-se um meio de aquecimento. O espaço interior do depósito interior é subdividido por paredes de separação verticais, para prolongar o percurso da massa fundida no depósito e por 4 conseguinte proporcionar uma homogeneização da massa fundida. A presente invenção tem por objetivo, a disponibilização de um processo, por meio do qual possam ser fundidas grandes quantidades de sais.

Para alcançar o referido objetivo estão previstas as caracteristicas da reivindicação 1. As formas de realização vantajosas e os desenvolvimentos convenientes da presente invenção são descritos nas reivindicações dependentes. A presente invenção refere-se a um processo para a fusão continua de sais inorgânicos. 0 referido processo compreende as seguintes etapas processuais: alimentação continua de sais sólidos através de uma unidade de alimentação para dentro de um forno, aquecimento dos sais no forno e geração de um fluxo dos sais no forno por meio de uma unidade de recirculação. 0 fluxo é vertical e ascendente, sendo que nesta zona é realizada a alimentação dos sais sólidos. Por meio do fluxo é gerada uma zona de duas fases de sal sólido e fundido e uma segunda zona separada desta de uma massa fundida aquecida a uma temperatura de aquecimento. Paralelamente à alimentação de sais sólidos por meio de uma unidade de extração é realização a extração de massa fundida da segunda zona.

De acordo com a presente invenção é continuamente realizada a alimentação de sais sólidos ou de misturas de sais no forno da instalação de fundição e paralelamente, igualmente continuamente, a extração de massa fundida, nomeadamente de sal fundido. Deste modo a instalação de fundição de acordo 5 com a presente invenção forma um sistema de circulação, que possibilita, fundir quantidades muito grandes de sais.

Um requisito essencial para o funcionamento do sistema de acordo com a presente invenção neste caso é a separação de uma zona de duas fases de sal sólido e fundido de uma segunda zona com a massa fundida aquecida a uma temperatura de aquecimento. Deste modo assegura-se, que a massa fundida extraída da segunda zona através da unidade de extração não contém componentes de sal não fundido, quer dizer o sal sólido alimentado é mantido na zona de duas fases.

Uma vantagem fundamental da presente invenção consiste no facto de a separação da zona da massa fundida da zona de duas fases, na qual estão contidos os sais sólidos, poder ser assegurada por medidas técnicas de fluxo, de modo que os recursos mecânicos necessários para este efeito podem ser muito reduzidos.

De acordo com a presente invenção com a unidade de recirculação no centro do forno é gerado um fluxo preferencialmente laminar, vertical e ascendente, por meio do qual os sais sólidos alimentados através da unidade de alimentação são mantidos na zona de duas fases. Numa forma de realização simples a nível da construção um fluxo da referida natureza pode ser gerado com uma unidade de recirculação sob a forma de um misturador-agitador ou de uma bomba. Alternativamente ou adicionalmente na área do fundo do forno pode estar prevista uma disposição de válvulas, por meio da qual um fluxo de gás ascendente pode ser introduzido no forno. Para auxiliar o referido fluxo vantajosamente podem ser incorporados elementos condutores no forno. No caso mais simples um elemento condutor da 6 referida natureza é formado por um cilindro condutor aberto na parte superior e na parte inferior, que envolve a unidade de recirculação e cujo eixo de simetria preferencialmente é coaxial relativamente ao eixo de simetria do forno. 0 fluxo vertical ascendente é transformado em feixes e reforçado através do cilindro condutor envolvente. 0 bordo superior do cilindro condutor além disso atua enquanto meio de redirecionamento, considerando que a massa que flui através do bordo na direção ascendente é redirecionada por este e pósteriormente na área periférica do forno flui na direção descendente.

Além disso o referido fluxo auxilia a separação da zona da massa fundida da zona de duas fases. Isto reside no facto de na zona central do forno através da unidade de alimentação preferencialmente através do teto do forno os sais sólidos alimentados primeiro alcançarem a zona do fluxo ascendente gerado com a unidade de recirculação e assim serem mantidos na zona de duas fases. Mesmo após o redirecionamento no bordo superior do cilindro as partículas flutuantes continuam a permanecer na zona de duas fases. Através do tempo de permanência dos sais sólidos na zona de duas fases gerado deste modo assegura-se, que estes são totalmente fundidos, até alcançarem a segunda zona situada abaixo da zona de duas fases. Assim assegura-se, que na segunda zona se encontra uma massa fundida pura sem sais sólidos.

Nesta zona é realizada a extração da massa fundida aquecida a uma temperatura de aquecimento desejada. No caso mais simples para este efeito pode estar previsto um orifício de saída na área do fundo sob a forma de uma válvula, de modo 7 que a massa fundida possa ser extraída. Por motivos de manuseio e de espaço no entanto frequentemente se privilegia, que a extração da massa fundida assim como a alimentação dos sais sólidos seja realizada através do teto. Neste caso convenientemente são utilizadas unidades de extração específicas, introduzidas na segunda zona pela parte superior, tais como elevadores de líquido, nomeadamente uma bomba de emulsão.

Para o controlo do funcionamento da instalação de fundição vantajosamente está prevista uma unidade de controlo. Em função de grandezas de entrada geradaas em sistemas de medição adequados com a unidade de controlo é controlada tanto a alimentação de sais sólidos como a extração de massa fundida. Neste caso tanto a alimentação como a extração podem ser realizadas continuamente ou quase continuamente, quer dizer em intervalos de tempo predeterminados. Preferencialmente o controlo é realizado, de modo que durante o funcionamento da instalação de fundição a massa de sais contida no forno se mantenha pelo menos aproximadamente constante. Além disso o controlo é realizado, de modo a evitar, que seja gerado um excedente de sais sólidos proporcionalmente à proporção de massa fundida no forno.

Em seguida a presente invenção é mais detalhadamente explicada com base nas figuras. Em que a:

Figura 1: apresenta um corte longitudinal de uma forma de realização de uma instalação de fundição para a fusão e para a mistura de sais inorgânicos. 8

Figura 2: apresenta um corte transversal da instalação de fundição de acordo com a figura 1.

As figuras 1 e 2 apresentam um exemplo de realização de uma instalação de fundição 1 para a mistura e para a fusão continuas de sais inorgânicos. No presente caso na instalação de fundição 1 é realizada uma fusão de uma mistura de sais de nitrato de potássio e de nitrato de sódio numa proporção de 40%/60% em peso. A instalação de fundição 1 compreende um forno 2, no qual a mistura de sais é aquecida a uma temperatura de aquecimento de aproximadamente 290°C. O ponto de fusão da mistura de sais situa-se nos 250°C. 0 forno 2 é essencialmente constituído por um cadinho cilíndrico circular, que recebe a mistura de sais no respetivo interior. Para o aquecimento da mistura de sais no presente caso estão previstos aquecedores tubulares a gás, nomeadamente tubos radiantes, que para a evacuação do gás estão ligados a tubos de evacuação 4. Os aquecedores tubulares por irradiação 3 encontram-se no interior do forno 2 e formam uma disposição anular, simetricamente giratória relativamente ao centro do forno 2. Neste caso os aquecedores tubulares por irradiação 3 estão dispostos na proximidade das paredes laterais do forno 2.

Alternativamente ou adicionalmente o forno 2 pode igualmente ser aquecido através de elementos de aquecimento dispostos no exterior do forno 2. Geralmente o aquecimento do forno 2 pode ser realizado por meio de gás, de óleo, de óleo pesado ou de energia elétrica. 9 A adição de sal cristalino ou comprimido é realizada através de orifícios de enchimento 5 no teto 2a do forno 2. A adição dos sais sólidos é realizada através de uma unidade de alimentação não mais detalhadamente representada, que pode ser formada por dispositivos doseadores de hélice, dispositivos doseadores vibratórios, correias transportadoras ou correntes transportadoras. Os sais individuais através da unidade de alimentação podem ser introduzidos no forno 2 de forma separada ou de forma pré-misturada.

Além disso o forno 2 compreende uma unidade de recirculação, por meio da qual é realizada a mistura total dos sais introduzidos no forno 2. No presente caso a unidade de recirculação é formada por um misturador-agitador 6, que apresenta um mecanismo de acionamento 6a que assenta sobre o teto 2a do forno 2 e um eixo 6b que se estende a partir deste, pende para dentro do forno 2, em cuja extremidade livre está disposta uma ferramenta misturadora-agitadora 6c, a qual é movimentada através do mecanismo de acionamento 6a. 0 eixo 6b estende-se no eixo de simetria do forno 2. Em vez de um misturador-agitador pode igualmente ser utilizada uma bomba. Alternativamente ou adicionalmente a unidade de recirculação pode apresentar uma disposição de válvulas disposta na área do fundo do forno 2, por meio da qual no forno 2 é gerado um fluxo de gás, preferencialmente um fluxo de ar, vertical ascendente. A disposição de válvulas preferencialmente é concebida de forma simétrica relativamente ao eixo de simetria do forno 2.

Geralmente com a unidade de recirculação no interior do forno 2 é gerado um fluxo laminar vertical ascendente. Para 10 o reforço e para o auxílio do referido fluxo enquanto elemento condutor na face superior e na face inferior enquanto elemento condutor está previsto um cilindro condutor aberto 7, que está disposto de forma coaxial relativamente ao eixo 6b do misturador-agitador 6. A direção do fluxo gerado com a unidade de recirculação na figura 1 está assinalada com setas. No centro do forno 2, no interior do cilindro condutor 7 é gerado um fluxo vertical ascendente. A mistura de sais que flui na direção ascendente circunda o bordo superior do cilindro condutor 7, onde ocorre um redirecionamento do fluxo, de modo que nas áreas periféricas do forno 2 é gerado um fluxo descendente.

Por meio do fluxo gerado através da unidade de recirculação não é apenas realizada a mistura total da mistura de sais. É igualmente realizada uma separação de uma zona de duas fases de sal sólido e fundido (assinalada com A na figura 1) de uma segunda zona localizada abaixo desta com a massa fundida homogénea e totalmente misturada (assinalada com B na figura 1) . A referida separação é alcançada, considerando que os sais sólidos através dos orifícios de enchimento 5 são introduzidos no forno 2 na zona do fluxo ascendente. Através do referido fluxo ascendente os sais sólidos são mantidos na zona de duas fases e podem ser totalmente fundidos, antes de através do fluxo descendente nas áreas periféricas do forno 2 poderem transitar para a segunda zona. A separação das duas zonas pode ser determinada de forma dirigida através da direção e da intensidade, quer dizer da velocidade de fluxo. No presente caso os parâmetros de 11 ajuste para este efeito sao o dimensionamento do misturador-agitador 6 e do cilindro condutor 7. A massa fundida é extraída da segunda zona por meio de uma unidade de extração. No caso mais simples para o referido efeito pode estar disposta uma válvula na área do fundo do forno 2, através da qual a massa fundida é extraída. No presente caso a unidade de extração é concebida, de modo que a massa fundida é extraída através de um orifício de extração 8 no teto 2a do forno 2. A unidade de extração pode ser concebida sob a forma de um elevador de líquido como, por exemplo, uma bomba de emulsão. No presente caso a unidade de extração é concebida como bomba centrífuga 9. Esta apresenta um mecanismo de acionamento 9a, assim como pelo menos um tubo 9b no qual através de uma sonda 9c pode ser introduzida e bombeada para cima massa fundida da área do fundo do forno 2. 0 funcionamento da instalação de fundição 1 é controlado através de uma unidade de controlo central não representada. Primeiro por meio da unidade de controlo é realizado um controlo da temperatura, para aquecer a massa fundida a uma temperatura de aquecimento desejada. Enquanto unidade de medição de temperatura no interior do forno 2 estão previstos elementos térmicos, particularmente para detetar a temperatura da massa fundida na segunda zona. Em função dos valores medidos através dos elementos térmicos é controlada a potência de aquecimento dos aquecedores tubulares 3 .

Além disso por meio da unidade de controlo é realizado o controlo da quantidade de sais sólidos alimentados por unidade de tempo assim como da quantidade de massa fundida 12 homogénea extraída por unidade de tempo. A instalação de fundição 1 neste caso é operada num sistema de circulação, de modo que paralelamente é continuamente realizada uma alimentação de sais sólidos no forno 2 e uma extração de massa fundida do forno 2. Os processos de alimentação e de extração podem ser realizados continuamente ou quase continuamente, quer dizer em intervalos de tempo predeterminados.

Como primeiras grandezas de entrada para o controlo são determinados os volumes de sal sólido alimentados por unidade de tempo no forno 2 através da unidade de alimentação. Como sistemas de medição neste caso podem estar previstas unidades de medição gravimétricas ou volumétricas, particularmente células de carga na unidade de alimentação. Como segunda grandeza de entrada para o controlo é determinado o volume de massa fundida extraído por unidade de tempo através da unidade de extração. No presente caso para este efeito é determinada a potência absorvida da bomba centrífuga 9. Geralmente pode igualmente ser determinada a velocidade de fluxo da massa fundida extraída enquanto grandeza de medição. Finalmente como grandeza de entrada adicional pode ser determinado o peso total do forno 2 conjuntamente com a massa fundida contida neste. Para este efeito está prevista uma unidade de carga, por exemplo sob a forma de células de carga. A unidade de alimentação e a unidade de extração através da unidade de controlo são controladas, de modo que o peso do forno 2 e por conseguinte o volume da massa fundida contido no forno 2 se mantnha pelo menos aproximadamente constante. 13

Além disso por meio da unidade de controlo é realizado o controlo da unidade de alimentação e da unidade de extração, de modo que os volumes de sais alimentados por unidade de tempo e o volume de massa fundida extraído por unidade de tempo relativamente ao volume total do forno 2 considerando o tempo necessário, para fundir os sais sólidos, não ultrapassem um valor limite predeterminado. Deste modo evita-se, que seja introduzido demasiado sal sólido no forno 2, o que conduziria a uma danificação indesejada da segunda zona da massa fundida homogénea no forno 2 .

Para o presente exemplo de realização e para uma capacidade tipica do forno 2 na ordem de grandeza das 60 toneladas comprovou-se ser vantajoso, que o volume de sais sólidos alimentado por unidade de tempo e o volume de massa fundida simultaneamente extraído do forno 2 por unidade de tempo não ultrapassem 100% em peso (quer dizer a fornada completa), preferencialmente 25% em peso do conteúdo do forno 2. No presente caso o controlo é realizado, de modo que o volume de sais alimentado por hora assim como o volume de massa fundida extraído por hora sejam de 15 toneladas respetivamente.

Lisboa, 31 de Janeiro de 2012

Claims (12)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para a fusão contínua de sais inorgânicos, compreendendo as seguintes etapas processuais: alimentação contínua de sais sólidos através de uma unidade de alimentação para dentro de um forno (2), aquecimento dos sais no forno (2), geração de um fluxo dos sais no centro do forno (2) por meio de uma unidade de recirculação, que se flui na direção vertical ascendente, sendo que nesta zona é realizada a alimentação de sais sólidos através da unidade de alimentação, e sendo que por meio do fluxo é gerada uma zona de duas fases de sal sólido e fundido e uma segunda zona separada desta de uma massa fundida aquecida a uma temperatura de aquecimento, e paralelamente à alimentação de sais sólidos a realização da extração de massa fundida da segunda zona por meio de uma unidade de extração.

2. Um processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por no forno (2) serem fundidas misturas de sais, sendo que os sais individuais de forma separada ou de forma pré-misturada por meio da unidade de alimentação são introduzidos no forno (2) e totalmente misturados neste por meio da unidade de recirculação.

3. Um processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por na segunda zona a mistura de sais se apresentar totalmente misturada e fundida. 2

4. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado por enquanto sais serem utilizados nitrato de potássio e nitrato de sódio.

5. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, caracterizado por a separação das zonas ser determinada pela intensidade do fluxo e/ou pelas peças mecânicas no forno (2) para a condução de fluxo.

6. Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por nas zonas periféricas do forno (2) ser gerado um fluxo descendente.

7. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado por por meio da unidade de recirculação ser gerado um fluxo laminar.

8. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 5 a 7, caracterizado por a segunda zona da massa fundida se situar abaixo da zona de duas fases.

9. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 8, caracterizado por a alimentação dos sais sólidos e a extração da massa fundida serem realizadas continuamente ou em intervalos de tempo predeterminados.

10 Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 9, caracterizado por o volume de sais sólidos alimentado no forno (2) por unidade de tempo e o volume de massa fundida extraída do forno (2) por unidade de tempo serem controlados, de modo que o peso total da 3 quantidade de sal contida no forno (2) se mantém pelo menos aproximadamente constante.

11. Um processo de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 10, caracterizado por o volume de sais sólidos alimentado no forno (2) por hora e o volume de massa fundida extraído do forno (2) por hora não ultrapassarem 100% em peso do conteúdo do forno (2), quer dizer uma fornada.

12. Um processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por o volume de sais sólidos alimentado no forno (2) por hora e o volume de massa fundida simultaneamente extraído do forno (2) por hora não ultrapassarem 25% em peso do conteúdo do forno (2). Lisboa, 31 de Janeiro de 2012