PT87430B - Processo combinado para o tratamento termico e quimico de biomassas contendo ligno-celulose, e para a preparacao de furfural - Google Patents
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Description
presente invento refere-se a um processo combinado para o tratamento térmico e químico de bio massas contendo lignocelulose e para a preparação de furfural e de estruturas fibrosas contendo celulose, e bem como a uma instalação para a realização do referido processo.
Um processo combinado deste género conhece-se das patentes DE-A 34- 35 4-51 e EP-B - 0 038 317Na patente DE-A - 34- 35 4-51, descreve-se para a obtenção de celulose e furfural um processo de duas fases, com hidrólise prévia, e degradação química subsequente (extracção). De acor do com esse processo, aquece-se o material a decompor a tempe. raturas inferiores a 150° C, em presença de ácido diluído, du rante um período suficiente para se dar a hidrólise das pento sanas presentes, pelo que se formam pentoses. Seguidamente, adiciona-se um agente de desintegração e aumenta-se a tempera tura, rápidamente, até 160° G ou mais, mantendo-se a temperatura a este nível até terminar o processo de desintegração do material presente. Extrai-se seguidamente o furfural que se tinha formado a partir das pentoses.
A patente EP-B - 0 038 3l7 revela um processo para a preparação de furfural e de outros compostos orgânicos a partir de hidrolisatos ácidos de plantas, em especial soluções de sulfitos. Segundo o referido processo, as pentoses contidas na solução de sulfito são aquecidas, num reactor, até a temperaturas de 300° C, formando-se furfural, por desidratação.
andamento reaccional da formação de furfural a partir de pentosanas contidas em biomassas constituídas por lignocelulo se, compreende duas etapas reaccionais, catalisadas pela adição de ácidos. A primeira etapa consiste numa hidratação, pelo que as pentosanas sofrem hidrólise, dando origem à formação de pentoses, e a segunda etapa da reacção consiste numa
-4— desidratação, resultando na transformação das pentoses em fur furai. Segundo o processo revelado na DE-A - 34- 35 4-51, estas duas etapas reaccionais decorrem durante a degradação química das biomassas. No entanto, em consequência das condições reac_ cionais extremas adoptadas, verifica-se, em parte, a formação de produtos de condensação do furfural, e a ocorrência de reacções secundárias que provocam a decomposição das pentosanas. Idênticas desvantagens apresenta também o processo segun do a patente EP-B - 0 038 317, segundo o qual se forma o furfural apenas a seguir à degradação química, a partir da solução residual de sulfito (lixívia de sulfito).
Assim, ambos os processos apenas permitem obter um rendimento reduzido em furfural - em comparação com o rendimento máximo, teoricamente possível - devido à formação de produtos de condensação, os quais, no caso do fabrico de celulose sulfitada branqueada, também exercem uma acção prejudicial sobre esta.
Assim, o invento tem por finalida de eliminar as referidas dificuldades e desvantagens, idealizando um processo combinado do género atrás referido, bem como uma instalação para a realização deste processo, através da qual seja possível evitar a formação de produtos secundários de pentoses durante o próprio processo de cocção, de modo a aumentar o rendimento em furfural e a exigir apenas a adição de pequenas quantidades de agentes de branqueio no caso do fa brico de celulose sulfitada, branqueada.
De acordo com o processo do presente invento consegue-se alcançar os referidos objectivos da seguinte maneira:
- adiciona-se de forma contínua, biomassa contendo ligno-celu lose a uma digestora contendo uma solução para a degradação de celulose (solução ou líquido de cocção ou de digestão) e, após o aquecimento da biomassa numa zona de aquecimento
-5prévio e condução da biomassa assim aquecida através de uma zona de retenção posterior, extrai-se do digestor de forma contínua, a celulose ou biomassa préviamente tratada
- extrai-se da caldeira, de forma contínua, líquido de cocção
- transporta-se o líquido de cocção, de forma contínua, para uma instalação para a preparação de furfural, e
- reconduz-se digestor, de forma contínua, o líquido de digejs tão, cocção isento, pelo menos em grande parte, das pentoses ou do furfural, realizando-se o aquecimento por meio de vapor directo ou por intermédio do líquido de cocção.
Através da remoção contínua das pentoses a partir do digestor evitam-se reacções secundárias, subsequentes, que poderão levar à formação de furfural e dos seus produtos de condensação no interior do digestor. Assim, por um lado, aumenta-se o rendimento em termos de pentoses e desta maneira, o rendimento em furfural, e por outro lado, no fabrico de celulose, melhora-se o grau de pureza desta, o que permite a adição de menores quantidades de agentes de branque amento durante as fases da sua elaboração posterior. 0 refluxo do líquido de cocção possibilita uma separação contínua das pentoses, sem necessidade de interromper o tratamento tér mico da biomassa contendo ligno-celulose. Além disso, evita-se uma depleção do digestor em termos de líquido de cocção.
De acordo com uma forma de realização preferida do invento, extrai-se o líquido de cocção quando a sua concentração em pentoses seja superior a 5g/l e quando a taxa de decomposição das pentoses na solução de cocção seja inferior a 10 %.
A escolha da concentração em pentoses resulta na fixação de um determinado ponto de extracção no digestor, pelo que a separação das pentoses poderá ser adaptada às respectivas condi, ções reaccionais no digestor, com optimização do rendimento
-6em pentoses ou em furfural.
Com vantagem ( no caso do fabrico de celulose segundo o processo com sulfito ), a solução de co£ ção será extraída do digestor a uma temperatura entre 100 e 150° C, de preferência, entre 110 e 130° 0, e enviada para a instalação para o fabrico de furfural. Em virtude das condições reaccionais extremas, adoptadas na preparação de celulose segundo o processo com sulfito, uma retirada de líquido de cocção de uma zona de temperatura superior conduziria a reacções secundárias incontroláveis das pentoses e, desta maneira, a menores rendimentos.
De igual modo, será vantajoso - na preparação de biomassas préviamente tratadas por meio de hidró lise - se, aquando da realização de uma hidrólise prévia em meio aquoso, - o líquido de cocção seja separado a uma temperatura entre 120 e 200° 0, de preferência entre 130 e 170° 0, ou, quando se adopta uma hidrólise prévia acídica, o líquido de cocção seja extraído a uma temperatura entre 100 e 150° C, de preferência, entre 110 e 130° C.
De acordo com mais uma forma de realização preferida do invento, as pentoses contidas na soiu ção de cocção são desidratadas para furfural na instalação pa ra a preparação de furfural, o substrato resultante é submeti do a uma destilação com vapor de água, o líquido de cocção re manescente é reconduzido ou digestor e os vapores condensados são submetidos a uma destilação simples ou fraccionada para separação do furfural.
Com vantagem, o liquido residual,
-Ίque se vai formando durante a destilação siaples ou fraccionada, será reconduzido a digestor.
Além disso, ha vantagem em que o S02 formado durante a preparação de celulose na instalação para o fabrico de furfural seja reconduzido a digestor. Desta maneira, evita-se uma depleção do líquido de cocção no digestor em termos de S02i tornando desnecessário adicionar contínuamente aquela fracção de anidrido sulfuroso que é arrastada juntamente com o líquido de cocção para a instalação para o fabrico de furfural.
De preferência, a solução de cocção contendo as pentoses atravessa a instalação para o fabrico de furfural dentro de um período de permanência global de 10 a 60 minutos, de preferência, de 10 a 25 minutos, sendo o líquido de cocção aquecido até a uma temperatura de 150 a 180° G, de preferência, de 150 a 180° G, e mantido nesta gama de temperaturas.
Gomo é natural, durante a fase de aquecimento prévio varia o teor em pentoses na solução em ebu lição. Pela regulação de um período de permanência glooal na instalação para o fabrico de furfural, a uma determinada temperatura, poderão adaptar-se as condições reaccionais da desi. dratação ao respectivo teor em pentoses, o que resulta num au mento do rendimento em furfural.
A instalação para a realização do processo do invento compreende um digestor, na qual entroncam uma tubagem de alimentação para a biomassa contendo ligno-celulose e uma tubagem para a condução de vapor, e à qual estão ligadas uma tubagem de esvaziamento para a biomassa tratada
-8na caldeira por processos químicos, bem como uma tubagem de derivação que conduz a um permutador térmico, do qual parte uma tubagem de refluxo para o líquido de cocção, que desemboca no digestor, e bem assim compreende uma instalação para o fabrico de furfural, constituída por um reactor tubular, uma coluna de reacção e um dispositivo de destilação posterior, cujo o reactor tubular pode estar ligado ao digestor através de uma tubagem de alimentação, e cuja coluna de reacção pode estar ligada ao digestor através de uma tubagem de refluxo.
Segundo uma forma de realização preferida do invento, a tubagem de derivação parte de um ponto do digestor, em que a concentração em pentoses seja superi or a 5 g/1 θ em que a taxa de desintegração das pentoses no líquido de cocção seja inferior a 10%.
Segundo uma outra forma de realização preferida do invento, o dispositivo de destilação pode estar ligado ao digestor por meio de uma tubagem, para possibilitar a recondução da solução de cocção isenta de furfural. Desta forma, o resíduo de destilação liberto de furfural, proveniente do dispositivo de destilação, pode ser novamente reconduzido ao digestor.
Além disso, há vantagem em que uma tubagem de descarga do vapor da coluna de reacção termine num reservatório colector, ligado ao dispositivo de destilação sendo que o reservatório colector apresenta uma zona de gás que se pode unir ao digestor por meio de tubos.
Desta maneira, o S0£ que se forma durante a preparação de celulose sulfitada pode ser reconduzido ao digestor.
processo do invento e uma instalação para a realização do processo serão ilustrados seguidamente, com base nas figuras 1 e 2. Ambas as figuras apresen
-9tam um esquema funcional de acordo com uma qualquer das formas de realização do invento.
De acordo com a figura 1, termina num digestor (1) uma tubagem de alimentação (2) para a adução, ao digestor, de líquido de cocção e de biomassa. Na parte superior do digestor (1) entronca uma tubagem de vapor (2') servindo para o aquecimento directo da biomassa aduzida. Além disso, estão ligadas ao digestor (1) uma tubagem de descarga (3) para a extracção de biomassa préviamente tratada ou de ce lulose de sulfito, bem como, a uma determinada altura (H) do digestor ( conforme vai ser explicado mais adiante), uma conduta de derivação (5) que vai terminar num dispositivo de per mutação térmica (4), previsto para o aquecimento preliminar da solução de digestão. Do permutor térmico (4) parte uma tubagem de refluxo (6) para o líquido de cocção, que termina no digestor (1), fechando, desta forma, um circuito térmico (7). Através de uma tubagem de alimentação (9) estão ligados um reactor tubular (8) à tubagem de derivação (5)» forma de ’by-pass', e, através de uma tubagem de refluxo (11), uma coluna de reacção (10), ligada em série ao reactor tubular(8). Partindo da coluna de reacção (10),uma tubagem de descarga de vapor (12) conduz - passando por um permutador térmico (13), um reservatório colector (14) e um segundo permutor térmico (15) - a um dispositivo de destilação (16), que pode ser liga do à caldeira (1) por meio de uma tubagem (17) para o resíduo de destilação.
Se a referida instalação for utilizada para a preparação de celulose sulfitada, há vantagem em que, adicionalmente, a zona de gás (18) do reservatório colector (14) possa ser ligada, através de um permutor térmico (19), ao digestor (1) por meio de uma tubagem (20), representada a tracejado nas figuras 1 e
2.
processo de acordo com o invento pode ser realizado da seguinte maneira:
-10Através da tubagem de alimentação (2) aduz-se ao digestor (1) a biomassa contendo ligno-c_e lulose e a solução de cocção, após o que se procede ao aquecimento da solução contida no digestor por meio de vapor directo. Para a regulação precisa da temperatura extrair-se o líquido de cocção do digestor (1) através da tubagem de deri vação (5), que, em seguida, é conduzido ao permutador térmico (4) provido de vapor sobreaquecido (de alta pressão) (representado pelas setas 21, 22), onde é aquecido e reconduzido ao digestor (1) por meio da tubagem de refluxo (6).
A circulação da solução de cocção é assegurada por meio de uma bomba (25) prevista na tubagem de derivação (5)· Entre a tubagem de derivação da tubagem de adução (9) e o local onde entronca a tubagem de retorno (11), existe uma válvula (24) na tubagem de derivação, que, na fase de arranque do digestor (1) se encontra aberta aquando da circulação directa do líquido de cocção, por acção do permutador térmico (4), enquanto que as válvulas (25,26 ) que se encontram, respectivamente, na tu bagem de adução (9) e na tubagem de retorno (11), estão fecha das.
Logo que no digestor (1) as pento sanas estejam hidrolisadas para pentoses, numa concentração préviamente estabelecida, separando-se da solução de cocção, fecha-se a válvula (24) existente na tubagem de derivação e abrem-se as válvulas (25,26 ), respectivamente, na tubagem de admissão e na tubagem de retorno, de modo que a solução de cocção possa ser enviada contínuamente - através da tubagem de adução (9) - para o reactor tubular (8), mediante uma bomba (27), disposta na tubagem de admissão (9). Durante a circu lação da solução de cocção na instalação para a preparação de furfural ( 8, 10, 16 ) aduz-se ao digestor, de maneira contínua, a biomassa contendo ligno-celulose e extrair-se do diges tor, também de forma contínua, a biomassa acabada ( ou a celu lose final ).
-11A altura (Η) do ponto de extracção na tubagem de derivação (5)» que termina no digestor (1), é escolhido de maneira a que a concentração em pentoses na so lução de cocção seja superior a 5 g/1 θ a taxa de degradação das pentoses no líquido de cocção seja inferior a 10^. Na pre paração de biomassa préviamente tratada tem-se o cuidado de assegurar que no interior do digestor (1) a temperatura da so. lução de cocção, caso se realize uma hidrólise prévia em meio aquoso, se situe numa gama de 120 a 200° C, de preferência,de 150 a l?0° C, e caso se realize uma hidrólise prévia acídica, a temperatura se situe numa gama de 100 a 150 0, de preferên cia, entre 110 e 130° C.
A solução de cocção, extraída por meio da tubagem de admissão (9) é conduzida a 2 permutadores térmicos (28,29), igualmente previstos na tubagem de admissão um dos quais (28) é abastecido com líquido de cocção que reflui no interior da tubagem de retorno (11), sendo o segundo permu tador térmico (29) abastecido com vapor de alta pressão (ilus trado pelas setas 30 e 31 ); durante a sua passagem para os referidos permutadores térmicos, a solução de cocção é aqueci, da até à temperatura necessária à desidratação das pentoses, com formação de furfural. Esta etapa reaccional decorre, na sua maior parte, no reactor tubular (8) e, em parte, ainda na coluna de reacção (10), à qual se conduz seguidamente o líqui do de cocção. Na coluna de reacção (10), o furfural formado é expulso da solução de cocção por meio de vapor de água ('stri pping’), é conduzido ao permutador térmico (13) por meio da tubagem de descarga de vapor (12), onde é condensado, com for mação de vapor secundário, sendo a solução aquosa de furfural resultante recolhida no reservatório colector (14). 0 vapor secundário que se forma no permutador térmico (13) é condensa do num refrigerante (32), após o que é novamente enviado para o permutador térmico (13)· 0 líquido de cocção , isento de furfural, é retirado na parte inferior da coluna de reacção (10), é reconduzido ao digestor (1) de forma contínua, na tu-12bagem de retorno (11), através dos permutadores térmicos ( 28, 4 ).
Se a instalação for utilizada para a preparação de celulose de sulfito, ter-se-á o cuidado de que no interior do digestor (1) a temperatura da solução de cocção extraída se situe entre 100 e 150° 0, e de preferência, entre 110 e 130° C. 0 anidrido sulfuroso (SO2) que se forma na zona de gás (18) do reservatório colector (14) é aquecido no permutador térmico (19), abastecido com vapor sobreaquecido (representado pelas setas 35 θ 34 ) e, em seguida, é reconduzido ao digestor (1).
A solução aquosa de furfural contida no reservatório colector (14) é arrefecida no permutador térmico (15), sob formação de vapor secundário, após 0 que é guiada para a instalação para 0 fabrico de furfural (16), onde se prepara 0 furfural, em uma ou várias etapas reaccionais. 0 resíduo de destilação resultante é reconduzido ao digestor (1) por meio da tubagem (17).
aquecimento da coluna de reacção (10), tanto no caso da preparação de celulose, como para a preparação de biomassa préviamente tratada, poderá efectuar-se, de preferência, segundo duas variantes:
De acordo com a figura 1, a solução de cocção é extraída na parte inferior (35) da coluna de reacção, é aquecida no permutador térmico (36) com vapor de alta pressão (vapor sobreaquecido) (representedo pelas setas 37, 38 ), entrando novamente na coluna de reacção(lO), próxi. mo da parte inferior (39) desta coluna . Assegura-se uma ade. quada circulação mediante válvulas reguladoras (40 e 41 ) e uma bomba (42). Da tubagem de admissão de vapor de alta pre_s são (37) conduz uma tubagem de derivação (43) para o vapor sobreaquecido à tubagem de refluxo (44), que parte do permuta dor térmico (36)$ na tubagem de derivação para 0 vapor de alta pressão (43) existe uma válvula de regulação (45). pela ac
-13ção conjunta das válvulas (40, 41 e 45 ) torna-se possível utilizar o vapor sobreaquecido para o aquecimento do permuta dor térmico (36) θ para a coluna de reacção (10).
De acordo com a figura 2, os vapores que se desprendem na parte superior (46) da coluna de reacção (10) , são comprimi dos num compressor (47) e utilizados para aquecer o permutador térmico (36). Em seguida, os vapores condensados no permutador térmico (36), são conduzidos numa tubagem (48) ao re servatório colector (14), e tratados da maneira atrás indica da.
Claims (10)
- REIVINDICAQÕES la. - processo combinado para o tratamento térmico e químico de biomassas contendo ligno-ce lulose, e para a obtenção de furfural e estruturas fibrosas contendo celulose, caracterizado por se adicionar, de maneira contínua, biomassas contendo ligno-celulose a um digestor com líquido de aquecimento e, após aquecimento da biomassa numa zona de aquecimento e condução da biomassa aquecida através de uma zona de retenção, se extrair do digestor, de forma con tínua, celulose ou biomassas pré-tratadas, se extrair do digestor o líquido de aquecimento, de forma contínua,- se aduzir de forma contínua, o líquido de aquecimento a uma instalação para a preparação de furfural e se reconduzir, de forma contínua, ao referido digestor o líquido de aquecimento , isento, pelo menos em grande parte, das pentoses ou do furfural, realizando-se o aquecimento através de vapor directo ou por intermédio do líquido de aquecimento.
- 2ã. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se extrair líquido de aque cimento, cuja concentração em pentoses é superior a 5 g/1, θ em que a decomposição das pentoses no líquido de aquecimento é inferior a 10%.
- 3ã. _ processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por no âmbito da preparação de celulose segundo o processo com sulfito, se extrair do digestor 0 líquido de aquecimento a uma temperatura entre 100 e 150° C, de preferência entre 110 e 130° 0, e se introduzir 0 referido líquido de aquecimento na referida instalação para a preparação de furfural.
- 4ã. - processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por no âmbito da preparação de biomassas pré-tratadas por meio de hidrólise preliminar se ex trair o líquido de aquecimento uma temperatura entre 120 e 200° 0, de preferência, entre 150 e 170° G, ou, ao realizar a hidrólise ácida preliminar, se extrair o líquido de aquecimen to a uma temperatura entre 100 e 150° 0, de preferência, entre 110 e 150° C.
- 5^· - Processo de acordo com a reivindicação i, caracterizado por na instalação para a prepa ração de furfural se proceder à desidratação das pentoses con tidas no referido líquido de aquecimento, obtendo-se furfural, se submeter o substrato obtido a uma destilação com vapor de água, se reconduzir ao digestor o líquido de aquecimento rema nescente e se submeter os vapores condensados a uma destilação simples ou fraccionada para a separação do furfural.
- 6§. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por se reconduzir ao digestor o líquido residual obtido durante a destilação simples ou fraccionada.
- 7&. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por no âmbito da preparação de celulose se reconduzir ao digestor ο 3θ£ formado na instalação para a preparação de furfural.-1 68b. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 7, caracterizado por se condu zir o líquido de aquecimento contendo pentoses através da ins talação para a preparação de furfural com um período de perma nência total entre 10 e 60 minutos, de preferência, entre 10 a 25 minutos, enquanto se aquecer o líquido de aquecimento a uma temperatura entre 130 e 180° C, de preferência, entre 150 e 180° C, e se manter o líquido nesta gama de temperaturas.
- 9^. - Instalação para a realização do processo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 8, caracterizada por ser constituída por um digestor, onde desemboca uma tubagem de alimentação para biomassas conten do ligno-celulose e uma conduta para o vapor, e ao qual está ligada uma tubagem deescoamento para as biomassas tratadas por processos térmicos no digestor e uma conduta derivada para a ligação a um dispositivo de permuta térmica, do qual par te uma tubagem de retorno ao digestor para o líquido de aquecimento, e por uma instalação de fabrico de furfural, que apresenta um reactor tubular, uma coluna de reacção e um dispo, sitivo de destilação subsequente, podendo o reactor tubular ser unido ao digestor através de uma conduta de alimentação, e a coluna de reacção ser ligada ao digestor através de uma conduta de refluxo.
- 10B. - Instalação de acordo com a reivindicação 9,caracterizada por a tubagem de derivação partir de um ponto do digestor, em que a concentração em pentoses é superior a 5 g/1, θ em que a decomposição das pentoses no líquido de aquecimento é inferior a 10%.-1711^. - Instalação de acordo com uma qualquer das reivindicações 9 ou 10, caracterizada por o dispositivo de destilação, para o refluxo do líquido, isento de furfural, poder ser ligado ao digestor por meio de tubagens.
- 12â. - Instalação de acordo com uma qualquer das reivindicações 9 a 11, caracterizada por uma tubagem de descarga de vapores da coluna de reacção terminar num depósito colector, que está ligado ao dispositivo de destilação, apresentando o referido depósito colector uma zona de desprendimento de gás, que pode ser ligada ao digestor atra vés de uma tubagem.
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