<Desc/Clms Page number 1>
"Alimentation en chaleur de lits de solides fluidifiés*
La présente invention se rapporte à l'alimentation en cha- leur de suspensions turbulentes denses de solides finement divi- sés, fluidifiés par un gaz s'écoulant de bas en haut. Un aspect plus spécifique de l'invention consiste dans la fourniture de la chaleur requise pour la conversion de matières carbonées, telles que tous les types de charbon, coke, lignite, tourbe, matières cellulosiques, y compris la lignine, le schiste à huile, les sa- bles goudronneux, le pétrole, les résidus lourds, le brai, l'as phalte et les produits analogues, ainsi que les hydrocarbures li-
<Desc/Clms Page number 2>
quides et gazeux, en combustibles volatils et gaz de valeur en utilisant la technique des solides fluidifiés.
D'une façon tout à fait générale, l'invention peut être appliquée à la fourniture de la chaleur requise pour un procédé endothermique quelconque, réalisé dans une zone de réaction contenant une suspension dense, turbulente et fluidifiée de solides finement divisés.
L'application de la technique dite à solides fluidifiée à la conversion de matières carbonées solides en combustibles vo- latils, par exemple à la carbonisation de matières carbonisables ou à la gazéification de combustibles solides, est bien connue dans le métier. Dans ces procédés, des matières carbonées fine- ment divisées, telles que du charbon, ayant une dimension de par- ticule fluidifiable de l'ordre d'environ 50 à 400 mailles, par exemple, sont amenées dans une zone de conversion où elles sont maintenues, à la température de conversion, sous la forme d'une suspension turbulente dense de solides finement divisés, fluidi- fiés par un gaz s'écoulant de bas en haut.
Une zone de précipi- tation est de préférence maintenue dans la partie supérieure de la zone de conversion de sorte que la suspension de solides prend la forme d'un lit ou couche assez bien délimitée, avec une inter- face distincte entre la phase dense, c'est-à-dire le lit, et la suspension diluée de solides entraînés dans la zone de précipita- tion. D'une façon similaire, la technique à solides fluidifiés a été largement préconisée pour l'emploi dans les procédés ne com- prenant pas la conversion de matières carbonées solides. Dans cer- taines applications, comme dans la reformation des gaz hydrocarbu- rés avec de la vapeur d'eau en présence d'une matière solide cata- lytique, le changement principal apparaît dans la composition des gaz, tandis qu'il ne se passe pratiquement rien dans la ma- tière solide se trouvant dans la zone de réaction.
Dans d'autres applications, comme par exemple dans la réduction des minerais oxydés, le but principal de la réaction est d'opérer une transfor-
<Desc/Clms Page number 3>
mation désirable dans les solides en suspension.
La plupart des procédés dans lesquels l'emploi de la tech- nique à solides fluidifiés est avantageux, sont des procédés endothermiques en soi, c'est-à-dire que de la chaleur doit être appliquée si la réaction est à réaliser isothermiquement. De plus, de la chaleur doit fréquemment être fournie afin de porter les réactifs à une température réactionnelle pratique. On a suggéré différentes méthodes pour la fourniture de la chaleur requise dans ces procédés.
Une de ces méthodes utilise la chaleur sensible de gaz transportant de la chaleur, tels que de la vapeur d'eau, des gaz de fumée, du gaz de houille,etc., soufflés à travers le lit flui- difié de solides. Il résulte de la faible capacité de chaleur volumétrique des gaz, comparée aux grandes quantités de chaleur qui doivent être fréquemment fournies, qu'il faut souvent utili- ser dans cette méthode des quantités excessivement grandes de gaz chauffants, même lorsque ces gaz sont fournis aux tempéra- tures maxima possibles qui peuvent être admises en tenant compte de la vie limitée des matériaux appropriés du foyer lorsqu'ils sont soumis à des températures élevées.
Bien que cette méthode soit commercialement utilisable pour certaines réactions à basse température, telles que la réduction des minerais réalisée à des températures d'environ 800 - 1200 F, elle est généralement inappli- cable pour des réactions à température élevée telles que la fa- brication du gaz à l'eau. En outre, dans beaucoup de procédés, l'emploi de grands volumes de gaz chauffant est inadmissible par ce qu'il complique la récupération des produits de conversion vo- latils désirés, abaisse la concentration des constituants dési- rés dans le produit gazeux ou gêne la marche de la réaction dési- rée.
Certains des désavantages de cette méthode peuvent être évi- tés lorsque la chaleur nécessaire est fournie au moyen -d'une com-
<Desc/Clms Page number 4>
bustion limitée, à l'intérieur du lit fluidifié, d'un combustible injecté ou de solides carbonés présents dans le lit. Cependant, cette méthode peut entraîner la perte de proportions considéra- bles de produits de conversion combustibles de valeur, qui sont inévitablement brûlés au cours de la combustion limitée.
De plus, la dilution des produits gazeux par les produits de combustion gazeux constitue un sérieux désavantage de ce pocessus
Une autre méthode de fourniture de chaleur comprend l'em- ploi d'une zone de chauffage "fluide" séparée dans laquelle s' effectue la combustion d'une partie combustible de matière soli- de finement divisée, ou dans laquelle du combustible injecté sé- parément est brûlé en contact direct avec la matière solide fine- ment divisée et d'où un courant de matière solide finement divisée, chauffée de cette façon jusqu'à une température supérieure à celle de la zone de conversion et séparée des gaz de combustion, est envoyé vers la zone de conversion consommant de la chaleur.
Outre le fait qu'un réactif de combustion additionnel de dimen- sions considérables est requis, le rendement de génération de cha- leur par ce type de combustion n'est pas élevé, parce qu'on a généralement trouvé qu'il se formait des quantités importantes de CO lors de la combustion dans un récipient "fluide".
De plus, des vitesses de circulation élevées sont nécessaires pour les so- lides, en particulier aux hautes températures de conversion qui nécessitent de petites différences de température entre la com- bustion et la zone de conversion, vu que les limitations de tem- pérature imposées à de telles zones de combustion "fluides" sont sensiblement inférieures à celles possibles dans les fours à gaz à cause du type de construction plus complexe et à cause aussi de la présence de matières solides qui peuvent fondre ou se ra- mollir à une température relativement basse.
Il est également connu de chauffer des lits de solides idifiés en faisant passer des gaz de combustion chauds,produits
<Desc/Clms Page number 5>
extérieurement aux surfaces de transfert de chaleur, par des serpentins chauffants immergés dans le lit fluide. Cette méthode requiert un appareil brûleur séparé capable de résister à des températures extrêmement élevées à moins qu'on ne se contente d'un rendement faible par rapport à la consommation de combusti- ble et la vitesse de transfert de chaleur.
La présente invention supprime les inconvénients précités et fournit des avantages supplémentaires, tels qu en le compren- dra parfaitement à la lecture de la description détaillée don- née ci-après avec référence aux dessins ci-annexés.
L'objet principal de l'invention consiste, par consé- quent, à fournir des moyens perfectionnés pour alimenter en cha- leur des suspensions turbulentes denses de solides fluidifiés finement divisés.
Un autre objet de la présente invention est de fournir des moyens perfectionnés pour l'alimentation de la chaleur requi- se pour la conversion de matières carbonées en combustibles vola- tils, en employant la technique à solides fluidifiés sans les inconvénients dont question ci-dessus. D'autres objets et avanta- ges plus spécifiques apparaîtront encore ci-après.
Antérieurement à la présente invention, on avait suggéré d'éliminer les inconvénients précités en fournissant de la cha- leur aux suspensions fluidifiées denses par l'intermédiaire .de sur. faces de transfert de chaleur, telles que des serpentins chauf- fants, immergées dans le lit et, plus spécifiquement, en produi- sant la chaleur à transférer de manière sensiblement uniforme sur toute l'étendue des surfaces de transfert de la chaleur, par exemple par une combustion retardée ayant lieu de manière sensi- blement uniforme à l'intérieur des serpentins chauffants et sur toute leur longueur. Cette méthode est décrite et revendiquée dans la demande de brevet des inventeurs.
La présente invention
<Desc/Clms Page number 6>
Les limites des températures au lit filuide dans lesquek les la méthode de l'invention peut être employée avec avantage, dépendent largement de la vie de lé surface de transfert de cha- leur lorsqu'elle est soumise à une température élevée. D!une façon tout à fait générale, on peut dire que le coefficient de transfert de chaleur entre le métal et les lits de solides flui- des ayant une température comprise entre 800 F et l600 F, est suffisamment élevé pour permettre l'application de la méthode de chauffage selon l'invention.
La plupart des alliages métalliques résistant à la chaleur actuellement disponibles dans le commerce, par exemple des alliages de fer avec du chrome en proportions variées et de petites quantités de molybdène, conviennent pour être employés comme surface de transfert de chaleur pour la gamme in- férieure des températures de lit fluidifié, comme par exemple de 800 F à 1300 F. Pour une gamme plus élevée de températures de lit, par exemple de 1300 F à 1600 F les alliages de fer avec du chrome et du nickel en quantités importantes peuvent très bien convenir. On notera que la gamme de températures dans laquelle l'invention est applicable, sera sensiblement élargie suivant les disponibilités plus grandes en matières fortement résistantes à la chaleur.
Le succès de l'application de l'invention dépend du fait que les coefficients de transfert de chaleur entre une suspension dense ou un lit de solides fluidifiés et une surface immergée dans la suspension sont très élevés. D'autre part, les coeffic- cients de transfert de chaleur d'un courant gazeux s'écoulant le long d'une surface de transfert de chaleur, ou même d'une suspen- sion dispersée de solides dans un t el gaz, sont relativement fai- bles. En conséquence, la température d'une surface de transfert de chaleur en contact avec une suspension fluide, turbulente et dense, de solides sur un de ses côtés, et avec un gaz chauffant
<Desc/Clms Page number 7>
sur l'autre côté, tend à approcher de la température des solides en suspension.
Par exemple, à une température de lit de 1100 F et avec une température de combustion des gaz chauffants de 3000 F, la température de la surface de transfert de chaleur dans la zone de combustion, en prenant un cas typique, est d'environ 1300 - 1350 F, avec une vitesse de transfert de chaleur correspon- dante de 30000 - 35000 BTU/heure/pied carré (BTU - British Thermal Units).
Suivant une forme de réalisation préférée de l'invention, les surfaces de transfert de chaleur ont la forme de tubes de chauffage immergés dans le lit de solides fluides, et on intro- duit du combustible et de l'air dans les tubes avec un degré de turbulence tel que la combustion complète a lieu dans une zone étroite à l'entrée du tube. De préférence, le rapport de l'air au combustible est près du minimum théorique pour une combustion complète. Les tubes de chauffage peuvent avoir la forme de tubes disposés rectilignes ou en épingles à cheveux. Ils peuvent être/verticale- ment ou horizontalement.
Une série de noyaux internes de matière réfractaire peuvent être prévus à l'intérieur des tubes ; peu- vent partir d'un point densiblement éloigné de l'entrée des tu- bes et être disposés de façon de plus en plus rapprochée à mesu- re qu'en avance vers l'extrémité de sortie des tubes. Ces noyaux qui peuvent, par exemple, avoir la forme de cônes pointant vers l'entrée du tube, doivent être disposés et dimensionnés de ma- nière à offrir une résistance appréciable mais non excessive à l'écoulement du courant de l'agent de chauffage. Cette disposi- tion procure différents avantages importants.
Les noyaux jouent le rôle de promoteurs de turbulence pour augmenter le transfert de chaleur de convection des gaz chauds à la paroi des tubes; ils agissent également comme surfaces de radiation pour augmen- ter le transfert de chaleur de radiation vers les parois des tu-
<Desc/Clms Page number 8>
bes. L'écartement rapproché des noyaux sert à augmenter la vites- se de transfert de chaleur dans les régions froides des tubes.
Les combustibles appropriés pour le but de l'invention com- prennent les combustibles liquides et gazeux de tous types, tels que les huiles et les gaz hydrocarbures, l'hydrogène, le CO, ou leurs mélanges, ou des matières solides carbonées finement di- visées, telles que du charbon ou de la poussière de coke, ou ana- logues. L'emploi de combustible solide finement divisé a l'avanta- ge de donner des vitesses de transfert de chaleur accrues en ver- tu de la radiation résultant de la présence de cendres brûlantes et de particules de charbon incandescentes. Le gaz de support de la combustion peut être de l'air ou de l'oxygène- ou des mélanges convenables de ceux-ci.
Le combustible et le gaz de support de la combustion peuvent être chauffés à l'avance à toute tempéra- ture désirée jusqu'à la limite imposée par la température admis- sible maximum dans la zone de combustion, et peuvent être amenés à la surface de transfert de chaleur suivant des courants sépa- rés qui sont mélangés lors du contact avec la surface de transfert de chaleur au moyen de dispositifs d'alimentation promoteurs de turbulence, tels que des injecteurs, des chicanes, des orifices réducteurs ou analogues. Le combustible et le gaz de support de la combustion peuvent également être mélangés à l'avance et, si on le désire, réchauffés juste en dessous de la température d'i- gnition du mélange de façon que la combustion ait lieu immédiate- ment lors du contact avec les surfaces de transfert de chaleur chaudes.
L'invention, dont les objets et la nature générale vien- nent d'être exposés sera mieux comprise au cours de la descrip- tion plus détaillée donnée ci-après avec référence aux dessins ci-annexés.
<Desc/Clms Page number 9>
La fig.l est une illustration semi-schématique d'un sys- tème convenant pour effectuer un mode de réalisation de l'in- vention, dans laquelle les surfaces de transfert de chaleur sont disposées verticalement en formation en épingles à cheveux.
La fig. 2 est une coupe transversale horizontale à travers un récipient de traitement du type à fluide similaire,équipé de moyens d'alimentation de chaleur horizontaux, à formation en épin- gles à cheveux, selon l'invention.
La fig.3 est une coupe transversale verticale à travers une partie du récipient illustré à la fig.2.
La fig.4 est une coupe longitudinale à travers un tube de chauffage d'un type préféré pour les buts poursuivis par l'in- vention.
Si l'on se reporte à présent aux détails de la fig.l, la notation de référence 10 désigne un récipient de traitement verti- cal, sensiblement cylindrique, destiné au fonctionnement avec des matières solides fluides. La section principale cylindrique du récipient 10 est munie à sa partie inférieure d'un dispositif approprié pour la distribution du gaz, tel qu'une plaque perforée ou grille 14. Un faisceau de tubes de chauffa verticaux 20 en épingles à cheveux, est disposé de façon à s'étendre sur une por- tion importante de la longueur du récipient 10 et à être réparti de manière sensiblement uniforme sur la section transversale du récipient.
Les extrémités ouvertes inférieures des tubes 20 tra- versent la grille 14 et pénètrent dans un espace ouvert situé en dessous de la grille 14, dans lequel les extrémités d'entrée des tubes sont reliées à un collecteur 18 pour l'alimentation du mélange de combustion, et les extrémités de sortie des tubes sont reliées à un collecteur 18 pour l'évacuation des gaz de fumée.
En fonctionnement, des solides finement divisés, ayant une dimension de particule fluidifiable comprise entre environ 8 et
<Desc/Clms Page number 10>
400 mailles, peuvent être amenés dans le récipient 10, par la con- duite 1, à l'aide de tout moyen convenable connu en soi dans la technique du traitement des solides fluides, tel qu'un tuyau montant aéré, une trémie d'alimentation sous pression ou non, des transporteurs mécaniques, etc. (non représentée, à toute température de réchauffage désirée. Chaque fois qu'il faut ame- ner en contact avec les solides se trouvant dans le récipient 10 des matières liquides, telles que des résidus d'huiles lour- des ou analogues, ces liquides peuvent être fournis par la conduite 2 qui peut être munie de têtes de pulvérisation appro- priées 4 à l'intérieur du récipient 10.
Les solides peuvent être des matières décomposables telles que de la pierre calcaire do- lomitique, des adsorbants saturés tels que du charbon de bois, du gel de silice, etc., des matières carbonisables, des solides carbonés à convertir en mélanges gazeux contrant de l'H2 et/ou du CO, des solides qui doivent être soumis à des températures de réaction uniformes tels que des catalyseurs pour différentes réactions en phase gazeuse, particulièrement la reformation des hydrocarbures avec de la vapeur d'eau et/ou du CO2 pour former des mélanges de CO et de H2 convenant pour la synthèse catalyti- que des hydrocarbures, des solides inertes tels que du sable, du coke, etc., servant comme supports pour les liquides à cokéi- fier ou à traiter d'une autre manière,etc.
Un gaz convenable, de préférence réchauffé, est introduit par la conduite 3 dans l'espace libre en dessous de la grille 14, et pénètre dans le récipient 10 à travers la grille 14 ou un autre moyen de distribution, à une vitesse linéaire superfi- cielle d'environ 0,1 - 5,0 pieds par seconde, de préférence en dessous d'environ 1,5 pieds par seconde de façon à convertir la masse des solides se trouvant dans le récipient 10 en une sus- pension turbulente dense de solides fluidifiés, ayant de préfé-
<Desc/Clms Page number 11>
rence un niveau supérieur L10 bien défini.
Bien que l'on puisse utiliser n'importe quel gaz qui ne soit pas nuisible pour le traitement désiré, on préfère employer un gaz qui favorisera le traitement désiré, par exemple en réagissant avec les autres ma- tières du procédé d'une manière désirée, ou en réduisant la pres- sion partielle des produits à volatiliser.
Le chauffage du lit de solides fluidifiés peut être effec- tué selon l'invention de la manière suivante : mélange d'air et de gaz combustible, tel que du gaz naturel ou un gaz de raffine rie, du gaz de houille, du gaz pauvre ou du gaz à l'eau, ou une suspension de poussière de charbon dans l'air, est amené au col- lecteur 16 par tout dispositif classique dans des proportions approchant de très près celles théoriquement requises pour la combustion complète du constituant combustible en CO2 et en eau.
Ce mélange de combustion est fourni aux extrémités d'entrée des tubes 20, de préférence par des becs de brûleur individuels dé- chargeant dans les tubes en un point situé au-dessus de la gril- le 14 mais tout près de celle-ci. On comprendra qu'il peut être prévu des moyens appropriés ( non représentés) pour amorcer et entretenir la combustion dans les tubes. Ceux-ci auront générale- ment la forme d'un allumeur à étincelles électrique à 'pétition, disposé dans le voisinage du bec du brûleur. Des moyens promo- teurs de turbulence convenables, tels que des injecteurs ou des chicanes, sont prévus aux entrées des tubes pour assurer une com- bustion rapide et complète du mélange de combustibles sur une distance correspondant à environ 1/4 à 1/10 de la longueur tota- le du tube.
Un moyen spécifique approprié de ce type sera décrit plus en détails ci-dessous avec référence à la fig.4. La chaleur libérée de cette manière est transmise au lit de solides flui- des à des vitesses élevées qui dépendent des températures consi- dérées, mais qui peuvent aller jusqu'à 50.000 BTU/heure/pied carré à l'extrémité d'entrée des tubes allumés, et qui peuvent Être comprises, en moyenne, entre 10000 et 25000 BTU heure pied
<Desc/Clms Page number 12>
carré sur la surface entière des tubes. Par suite des excellen- tes caractéristiques de transfert de chaleur du lit fluide, la chaleur est répartie rapidement et uniformément à travers celui- ci pour établir un niveau de température sensiblement uniforme dans tout le lit.
Par une surface de transfert de chaleur conve- nablement répartie, le lit de solides fluides peut habituelle- ment être chauffé de façon uniforme à une température qui n'est inférieure que d'environ 100 à 300 F à la température de sortie des gaz de combustion.
Des produits gazeux et/ou sous forme de vapeur et/ou du gaz fluidifiant contenant des fines entraînées, sont retirés par au-dessus du niveau L10 et peuvent être envoyés à travers un système de séparation des gaz et des solides tel qu'un sépara- teur cyclone 26 d'où les solides séparés peuvent être renvoyés au récipient 10 par un siphon 28 ou éliminés par la conduite 25. Les solides fluidifiés peuvent être retirés par le bad du lit fluidifié à l'aide de moyens d'enlèvement appropriés 35 à partir de tout point situé en dessous du niveau L10
Pien que les tubes de chauffage 20 de la fig.l soient dis- posés en position verticale, il faut noter que des tubes de chauf- fage horizontaux peuvent être préférables, dans beaucoup de cas, au point de vue construction et transfert de chaleur.
Par exem- ple, il peut être désirable d'avoir des tubes de chauffage 20 supportés dans les parois du dispositif de réaction plutôt que dans le fond de celui-ci. Un système de ce type est illustré aux fig. 2 et 3, dans lesquelles les éléments de l'appareil similai- res aux éléments de la fig.l sont désignés par les mgâes numéros de référence.
Si l'on se reporte maintenant à la fig.2, on voit qu'il y est représenté une section horizontale d'un récipient 10 qui est similaire au récipient 10 de la fig.l sous tous rapports,
<Desc/Clms Page number 13>
sauf que les tubes 20 sont agencés en position horizontale. Com- me montré à la fig. 2, les tubes 20 pénètrent dans la paroi du récipient de réaction, sur les cotes opposés de celle-ci et de fa- çon alternée. Un collecteur 16 pour la fourniture du mélange de combustion et un collecteur 18 pour l'enlèvement des gaz de fumée sont disposés entièrement à l'extérieur de la section transversale du récipient de réaction.
La fig.3 est une vue longitudinale d'un récipient du type illustré à la fig. 2. Le niveau L10 du lit fluidifié et la grille de distfibution 14 sont représentés dans cette section. Les points 20 indiquent les endroits où les tubes de chauffage pénè- trent dans la paroi du récipient 10. Les fig.2 et 3 peuvent ser- vir d'illustrations d'une distribution rationnelle des surfaces de transfert de chaleur sous la forme de tubes de chauffage hori- zontaux s'étendant sur toute la hauteur et la largeur du lit fluide. Les extrémités libres des tubes horizontaux 20 se trou- vant dans le récipient 10, peuvent être supportées de toute ma- nière classique au sommet, à la base ou sur les parois latérales du récipient 10. Sous tous les autres rapports, le modèle et le fonctionnement du système des fig.2 et 3 sont similaires à ceux décrits en rapport avec la fig.l.
Des moyens particulièrement adaptés pour obtenir le déga- gement de chaleur concentrée et des caractéristiques de transfert de chaleur perfectionnées, selon la présente invention, sont il- lustrés à la fig.4 qui est une coupe longitudinale d'une varian- te préférée de tubes de chauffage du type représenté aux fig.l à 3, dessinée à plus grande échelle en vue d'une meilleure com- préhension de différents détails. Comme on l'a indiqué à la fig.
4 le mélange de combustion ae combustible et d'air peut être injecté di collecteur 16 dans l'extrémité d'entrée d'un tube 20 au moyen d'un gicleur classique 38, dont la décharge dans le tu- be donne un excellent mélange et une turbulence élevée dt mélan-
<Desc/Clms Page number 14>
ge gazeux. Des dispositifs promoteurs de turbulence additionnels tels que des chicanes ou déflecteurs radiaux 40, peuvent être disposés tout près de l'extrémité d'entrée du tube Des chicanes radiales successives sont de préférence décalées suivant un mou- vement de rotation afin de réaliser l'effet promoteur sur le mé- lange. Ces chicanes sont de préférence en céramique ou en une autre matière résistant à la chaleur, mais elles peuvent aussi 8tre faites en alliages métalliques thermiquement bien adaptés à la paroi du tube.
Plus en aval dans les tubes, des cônes réfrac- taires eu d'autres pièces introduites 50 peuvent Atre supportées par tout moyen approprié permettant le passage des gaz de fumée mais jouant le rôle de promoteur pour la turbulence de l'écoule- ment des gaz. L'écartement entre les pièces 50 va de préférence en se réduisant vers la sortie du tube, comme on l'a indiqué schématiquement sur le dessin. De cette manière, on entretien. non seulement une turbulence suffisante sur toute la longueur du tube, mais on forme également une surface de radiation supplé- mentaire allant en augmentant au fur et à mesure que la tempéra- ture des gaz de fumée baisse, ce qui améliore la vitesse de trans- fert de chaleur.
On peut également favoriser la combustion concentrée du combustible, suivant l'esprit de l'invention, en réglant le rap- port de l'air au combustible de manière à rendre le mélange com- bustible plus pauvre comparé au rapport théorique pour une com- bustion complète.
Bien qu'on ait considéré, dans la descriptipn donnée ci- dessus des fig.l à 4 la fourniture d'un mélange de combustion préparé à l'avance au collecteur 16 et aux tubes 20, il est à noter que l'on pourrait très bien amener séparément le combusti- ble et le gaz de support de la combustion aux tubes 20. Par exemple, à la fig.4, le combustible peut être amené par la condui-
<Desc/Clms Page number 15>
te 16a sous la forme d'un gaz, d'un liquide ou de poussière, et l'air peut être fourni par la conduite 16 et la tuyère ou gicleur 38 d'une manière appropriée pour obtenir le mélange et la turbu- lence désirés à la sortie du gicleur.
Lorsque les systèmes illustrés par le dessin sont employés pour la distillation ou la carbonisation à basse température de solides carbonisables, le récipient 10 doit être rempli d'une matière solide fluidifiable sèche, de préférence du coke ou un au- tre résidu de carbonisation solide, tel que du schiste à huile épuisé ou du sable goudronneux, qui est maintenue à la températu- re de carbonisation désirée d'environ 800 F à 1200 F à l'aide des tubes 20. Dans ce but, environ 500.000 - 1. 000.000 BTU par tonne d'alimentation de matières solides carbonisables doivent être généralement engendrées dans les tubes 20 pour effectuer la carbonisation. La matière carbonisable est amenée par la conduite 1 dans le lit de solides fluidifiés, secs et chauds, à une vites- se qui empêchera une agglutination importante dans le récipient 10.
Dans le cas où les particules tendent à s'agglomérer pendant le fonctionnement, les solides peuvent être retirés par la conduite 35, broyés et renvoyés par la conduite 1. Les solides carbonisés peuvent être récupérés par la conduite 35 à la vitesse où ils sont produits. De la vapeur d'eau, un gaz inerte ou un produit gazeux peut servir de gaz de fluidification, de préférence à une vitesse superficielle de l'ordre d'environ 0,5 à 5,0 pieds par seconde, avec des dimensions de particules pour les matières solides d'environ 8 à 100 mailles afin de créer des densités de lit apparentes d'environ 10 à 50 livres par pied cube. Les pres- sions de carbonisation peuvent aller de la pression atmosphérique à 200 livres par pouce carré, de préférence en dessous de 50 li- vres par pouce carré.
Un processus similaire peut être utilisé pour cokéifier
EMI15.1
##ps T-pqirius n'huiles lourdes et d'autres matières hvdrocarbonées
<Desc/Clms Page number 16>
liquides aux conditions de traitement. Dans ce cas, l'alimenta- tion liquéfiée peut être amenée par la conduite 2, de préférence à l'état finement divisé, par exemple au moyen de têtes de pul- vérisation convenables, jusque dans un lit de matières solides fluidifiées du type et à la température spécifiés ci-dessus. On peut employer, particulièrement pendant la période de l'amorçage, des matières solides fluidifiées inertes, finement divisées, tel- les que du sable ou de l'argi'e, a: .. une dimension de particule comprise entre 50 et 400 mailles.
Lorsqu'on désire produire des mélanges gazeux contenant du H2 et du CO, tels que des gaz d'alimentation pour la synthèse catalytique des hydrocarbures et d'autres produits de valeur, à partir de matières carbonées liquides ou solides, on peut prati- quement suivre les processus décrits ci-dessus à l'exception qu' il faut utiliser des températures plus élevées et qu'il faut fournir au lit de solides fluidifiés de la vapeur d'eau et/ou du CO2 en quantités suffisantes pour la réaction. Si l'on emploie des matières de départ carbonées à haute réactivité, telles que du noir de fumée obtenu par carbonisation à basse température du type fluide, certains lignites, etc., des températures d'en- viron 1600 - 170C F sont suffisantes pour un fonctionnement sa- tisfaisant, en particuliet à des pressions élevées d'environ 200 à 400 livres par pouce carré.
Les systèmes des fig.l à 4 peuvent également être utilisés pour la reformation des hydrocarbures, en particulier les gaz hydrocarbures tels que du gaz naturel, du gaz de raffinage ou analogue, avec de la vapeur d'eau et/ou du C02 en présence de catalyseurs appropriés pour produire du H2 ou des mélanges de H2 et de CO du type mentionné ci-dessus.
Dans ce cas, le récipient 10 contient un catalyseur de reformation finement divisé, tel que de l'oxyde de nickel supporté sur de la magnésie, de l'alumi-
<Desc/Clms Page number 17>
ne et/ou de la silice, à dimension de particule fluidifiable, et on introduit par la conduite 3 un mélange de vapeur d'eau et/ou de CO2 avec le gaz à reformer.Les tubes 20 peuvent être maintenus à une température maximum d'environ 1600 - 1800 F par combustion de combustible solide finement divisé ou gazeux, pour établir une température de reformation convenable d'environ 1200 - 1600 F dans le lit fluide du récipient 10.
D'autres traitements à haute température, catalytiques ou non catalytiques, peuventre réalisés dans les systèmes des fig.
1 à 4 d'une manière sensiblement analogue, comme cela apparat- tra clairement aux gens du métier. Bien que les tubes 20 aient été représentés sous la forme de tubes en épingles à cheveux, il va de soi qu'on peut employer de la même manière des tubes droits pourvus de collecteurs d'alimentation et de sortie classiques.
On peut encore apporter différentes autres modifications aux sys - tèmes décrits ci-dessus sans sortir du cadre de l'invention.
L'invention sera en outre illustréè par l'exemple spécifi- que donné ci-après et relatif à la carbonisation à basse tempé- rature de charbon bitumineux.
E X E M P L E
EMI17.1
<tb> Alimentation <SEP> charbon,tonnes/jour <SEP> (100% <SEP> à <SEP> travers
<tb>
<tb>
<tb> maille <SEP> 8 <SEP> 1. <SEP> 000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Teneur <SEP> en <SEP> humidité <SEP> du <SEP> charbon, <SEP> % <SEP> H20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vitesse <SEP> d'alimentation <SEP> du <SEP> charbon <SEP> au <SEP> récipient,
<tb>
<tb>
<tb> liv/heure/pied <SEP> carré <SEP> de <SEP> la <SEP> section <SEP> transversale <SEP> du <SEP> lit <SEP> 630
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> de <SEP> carbonisatin <SEP> f <SEP> 900
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Hauteur <SEP> du <SEP> lit,pieds <SEP> 22
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Pression <SEP> de <SEP> carbonisation, <SEP> liv/pouce <SEP> carré <SEP> 1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Combustible <SEP> requis, <SEP> sous-produit <SEP> gazeux <SEP> SCFM(860BTU/SCF) <SEP> 1.
<SEP> 060
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> requis,SCFM <SEP> 9. <SEP> 900
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vapeur <SEP> pour <SEP> la <SEP> fluidification, <SEP> liv/heure <SEP> 7.060
<tb>
<Desc/Clms Page number 18>
EMI18.1
<tb> Surface <SEP> de <SEP> chauffe <SEP> des <SEP> tubes, <SEP> pieds <SEP> carrés <SEP> 2.600
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Nombre <SEP> de <SEP> tubes <SEP> en <SEP> épingles <SEP> à <SEP> cheveux <SEP> requis <SEP> 142
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Diamètre <SEP> des <SEP> tubes, <SEP> pouces <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> maximum <SEP> du <SEP> métal <SEP> des <SEP> tubes, <SEP> F <SEP> 1. <SEP> 300
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Température <SEP> de <SEP> sortie <SEP> des <SEP> gaz <SEP> de <SEP> combustion, <SEP> F <SEP> 1.
<SEP> 190
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vitesse <SEP> moyenne <SEP> de <SEP> transfert <SEP> de <SEP> chaleur <SEP> à <SEP> travers
<tb>
<tb>
<tb> les <SEP> tubes, <SEP> BTU/heure/pied <SEP> carré <SEP> 12.500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rendements
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Coke, <SEP> tonnes/jour <SEP> 716
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Goudron <SEP> récupéré, <SEP> tonnes/jour <SEP> 102
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sous-produit <SEP> gazeux <SEP> net, <SEP> SCF/jour <SEP> (860BTU/SCF) <SEP> 750.000
<tb>
La description qui précède et les fonctionnements donnés à titre d'exemple ont servi à illustrer des applications et des résultats spécifiques de l'invention, mais ne sont pas destinés à en limiter la portée.
EMI18.2
R E U E N D I C A T I 0 N S
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
<Desc / Clms Page number 1>
"Heat supply to fluidized solids beds *
The present invention relates to the supply of heat to dense turbulent suspensions of finely divided solids, fluidized by a gas flowing from the bottom up. A more specific aspect of the invention is the provision of the heat required for the conversion of carbonaceous materials, such as all types of coal, coke, lignite, peat, cellulosic materials, including lignin, oil shale, tarry sands, petroleum, heavy residues, pitch, asphalt and the like, as well as li-
<Desc / Clms Page number 2>
quids and gases, volatile fuels and valuable gases using the fluidized solids technique.
Quite generally, the invention can be applied to supplying the heat required for any endothermic process carried out in a reaction zone containing a dense, turbulent and fluidized suspension of finely divided solids.
The application of the so-called fluidized solids technique to the conversion of solid carbonaceous materials to volatile fuels, for example to the carbonization of carbonizable materials or to the gasification of solid fuels, is well known in the art. In these processes, finely divided carbonaceous materials, such as charcoal, having a flowable particle size of the order of about 50 to 400 mesh, for example, are fed to a conversion zone where they are. maintained at the conversion temperature as a dense turbulent suspension of finely divided solids, fluidified by a gas flowing from the bottom up.
A precipitation zone is preferably maintained at the top of the conversion zone so that the suspension of solids takes the form of a fairly well-defined bed or layer, with a distinct interface between the dense phase, that is, the bed, and the dilute suspension of solids entrained in the precipitation zone. Similarly, the fluidized solids technique has been widely advocated for use in processes not involving the conversion of solid carbonaceous materials. In some applications, such as in the reforming of hydrocarbon gases with water vapor in the presence of a catalytic solid, the main change occurs in the composition of the gases, while it does not occur. virtually nothing in the solid material in the reaction zone.
In other applications, such as for example in the reduction of oxidized ores, the main aim of the reaction is to effect a transformation.
<Desc / Clms Page number 3>
desirable diet in suspended solids.
Most of the processes in which the use of the fluidized solids technique is advantageous are endothermic processes per se, i.e. heat must be applied if the reaction is to be carried out isothermally. In addition, heat must frequently be supplied in order to bring the reagents to a convenient reaction temperature. Various methods have been suggested for providing the heat required in these processes.
One of these methods uses the sensible heat of heat transporting gases, such as water vapor, flue gas, coal gas, etc., blown through the fluidized bed of solids. It results from the low volumetric heat capacity of gases, compared to the large quantities of heat which must be frequently supplied, that in this method excessively large quantities of heating gases must often be used, even when these gases are supplied to the gases. maximum possible temperatures which may be allowed taking into account the limited life of suitable materials of the hearth when subjected to high temperatures.
Although this method is commercially useful for some low temperature reactions, such as ore reduction carried out at temperatures of about 800 - 1200 F, it is generally inapplicable for high temperature reactions such as manufacturing. from gas to water. In addition, in many processes the use of large volumes of heating gas is inadmissible because it complicates the recovery of the desired volatile conversion products, lowers the concentration of the desired constituents in the gaseous product or impedes the course of the desired reaction.
Some of the disadvantages of this method can be avoided when the necessary heat is supplied by means of a com-
<Desc / Clms Page number 4>
limited bustion, inside the fluidized bed, of an injected fuel or of carbonaceous solids present in the bed. However, this method can result in the loss of considerable proportions of valuable fuel conversion products, which are inevitably burned during limited combustion.
In addition, the dilution of the gaseous products by the gaseous combustion products constitutes a serious disadvantage of this process.
Another method of providing heat involves the use of a separate "flowing" heating zone in which the combustion of a combustible portion of finely divided solid material is carried out, or in which injected fuel is separated. - face is burned in direct contact with the finely divided solid material and hence a stream of finely divided solid material, heated in this way to a temperature above that of the conversion zone and separated from the combustion gases , is sent to the heat-consuming conversion zone.
Apart from the fact that an additional combustion reagent of considerable dimensions is required, the efficiency of heat generation by this type of combustion is not high, because it has generally been found to form. significant amounts of CO during combustion in a "fluid" container.
In addition, high circulation speeds are required for the solids, especially at high conversion temperatures which require small temperature differences between the combustion and the conversion zone, as the temperature limitations imposed. such "flowing" combustion zones are significantly less than those possible in gas ovens because of the more complex type of construction and also because of the presence of solids which can melt or soften at a relatively low temperature. low.
It is also known to heat beds of identified solids by passing hot combustion gases, produced
<Desc / Clms Page number 5>
externally to the heat transfer surfaces, by heating coils immersed in the fluid bed. This method requires a separate burner apparatus capable of withstanding extremely high temperatures unless one is satisfied with low efficiency in relation to fuel consumption and rate of heat transfer.
The present invention overcomes the aforementioned drawbacks and provides additional advantages, as will be fully understood on reading the detailed description given hereinafter with reference to the accompanying drawings.
The main object of the invention is therefore to provide improved means for supplying heat to dense turbulent suspensions of finely divided fluidized solids.
Another object of the present invention is to provide an improved means of supplying the heat required for the conversion of carbonaceous materials into volatile fuels, employing the fluidized solids technique without the drawbacks discussed above. . Other more specific objects and advantages will appear further below.
Prior to the present invention, it had been suggested to eliminate the aforementioned drawbacks by supplying heat to the dense fluidized suspensions via the medium. heat transfer faces, such as heating coils, submerged in the bed and, more specifically, producing the heat to be transferred substantially uniformly over the entire extent of the heat transfer surfaces, for example by a retarded combustion taking place in a substantially uniform manner inside the heating coils and over their entire length. This method is described and claimed in the inventors' patent application.
The present invention
<Desc / Clms Page number 6>
The limits of the fluid bed temperatures in which the method of the invention can be employed to advantage depend largely on the life of the heat transfer surface when subjected to an elevated temperature. Quite generally, it can be said that the heat transfer coefficient between the metal and the beds of fluid solids having a temperature between 800 F and 1600 F, is high enough to allow the application of the heating method according to the invention.
Most of the heat resistant metal alloys currently available commercially, for example alloys of iron with chromium in varying proportions and small amounts of molybdenum, are suitable for use as a heat transfer surface for the lower range. fluidized bed temperatures, such as for example 800 F to 1300 F. For a higher range of bed temperatures, for example 1300 F to 1600 F alloys of iron with chromium and nickel in large quantities can very well suit. It will be noted that the range of temperatures in which the invention is applicable will be considerably widened depending on the greater availability of highly heat-resistant materials.
The success of the application of the invention depends on the fact that the heat transfer coefficients between a dense suspension or a bed of fluidized solids and a surface immersed in the suspension are very high. On the other hand, the heat transfer coefficients of a gas stream flowing along a heat transfer surface, or even of a dispersed suspension of solids in such a gas, are. relatively weak. As a result, the temperature of a heat transfer surface in contact with a fluid, turbulent and dense suspension of solids on one of its sides, and with a heating gas
<Desc / Clms Page number 7>
on the other side, tends to approach the temperature of the suspended solids.
For example, at a bed temperature of 1100 F and with a heating gas combustion temperature of 3000 F, the temperature of the heat transfer surface in the combustion zone, taking a typical case, is around 1300 - 1350 F, with a corresponding heat transfer rate of 30,000 - 35,000 BTU / hour / square foot (BTU - British Thermal Units).
According to a preferred embodiment of the invention, the heat transfer surfaces are in the form of heating tubes submerged in the bed of fluid solids, and fuel and air are introduced into the tubes with a degree. turbulence such that complete combustion takes place in a narrow zone at the inlet of the tube. Preferably, the air to fuel ratio is near the theoretical minimum for complete combustion. The heating tubes may be in the form of tubes arranged straight or in hairpins. They can be / vertically or horizontally.
A series of internal cores of refractory material may be provided inside the tubes; may start at a point densely away from the inlet of the tubes and be disposed closer and closer as they advance towards the outlet end of the tubes. These cores which may, for example, be in the form of cones pointing towards the inlet of the tube, should be arranged and sized so as to provide appreciable but not excessive resistance to the flow of the current of the heating medium. . This arrangement provides various important advantages.
The cores act as turbulence promoters to increase the transfer of convective heat from hot gases to the wall of the tubes; they also act as radiation surfaces to increase the transfer of heat from radiation to the walls of the tubes.
<Desc / Clms Page number 8>
bes. The close spacing of the cores serves to increase the rate of heat transfer in the cold regions of the tubes.
Fuels suitable for the purpose of the invention include liquid and gaseous fuels of all types, such as hydrocarbon oils and gases, hydrogen, CO, or mixtures thereof, or finely divided carbonaceous solids. referred to, such as coal or coke dust, or the like. The use of finely divided solid fuel has the advantage of giving increased rates of heat transfer against the radiation resulting from the presence of hot ash and glowing charcoal particles. The combustion carrier gas can be air or oxygen or suitable mixtures thereof.
The fuel and the combustion carrier gas can be heated in advance to any desired temperature up to the limit imposed by the maximum allowable temperature in the combustion zone, and can be brought to the surface of the combustion chamber. heat transfer in separate streams which are mixed upon contact with the heat transfer surface by means of turbulence promoting feed devices, such as injectors, baffles, reducing ports or the like. The fuel and the combustion carrier gas can also be mixed in advance and, if desired, reheated to just below the initial temperature of the mixture so that combustion takes place immediately. from contact with hot heat transfer surfaces.
The invention, the objects and general nature of which have just been described, will be better understood in the course of the more detailed description given below with reference to the accompanying drawings.
<Desc / Clms Page number 9>
Fig. 1 is a semi-schematic illustration of a suitable system for carrying out an embodiment of the invention, in which the heat transfer surfaces are arranged vertically in hairpin formation.
Fig. 2 is a horizontal cross section through a similar fluid type treatment vessel fitted with horizontal hairpin heat supply means according to the invention.
Fig. 3 is a vertical cross section through part of the container shown in Fig. 2.
Fig. 4 is a longitudinal section through a heating tube of a type preferred for the purposes of the invention.
Turning now to the details of Fig. 1, reference numeral 10 denotes a vertical, substantially cylindrical processing vessel for operation with fluent solids. The cylindrical main section of the container 10 is provided at its lower part with a suitable device for distributing the gas, such as a perforated plate or grid 14. A bundle of vertical heating tubes 20 in hairpins is arranged. so as to extend over a substantial portion of the length of container 10 and to be substantially uniformly distributed over the cross section of the container.
The lower open ends of the tubes 20 pass through the grate 14 and enter an open space below the grate 14, in which the inlet ends of the tubes are connected to a manifold 18 for the supply of the combustion mixture. , and the outlet ends of the tubes are connected to a manifold 18 for the discharge of the flue gases.
In operation, finely divided solids having a flowable particle size of between about 8 and
<Desc / Clms Page number 10>
400 meshes, can be brought into the receptacle 10, by the line 1, by means of any suitable means known per se in the art of the treatment of the fluid solids, such as an aerated riser pipe, a hopper. feed under pressure or not, mechanical conveyors, etc. (not shown, at any desired reheating temperature. Whenever it is necessary to bring in contact with the solids in vessel 10 liquid materials, such as heavy oil residues or the like, such liquids can be supplied by line 2 which can be provided with suitable spray heads 4 inside the container 10.
The solids can be decomposable materials such as domitic limestone, saturated adsorbents such as charcoal, silica gel, etc., carbonisable materials, carbonaceous solids to be converted into gas mixtures against water. 'H2 and / or CO, solids which must be subjected to uniform reaction temperatures such as catalysts for different gas phase reactions, particularly the reformation of hydrocarbons with water vapor and / or CO2 to form mixtures of CO and H2 suitable for the catalytic synthesis of hydrocarbons, inert solids such as sand, coke, etc., serving as carriers for liquids to be coked or otherwise treated, etc.
A suitable, preferably heated, gas is introduced through line 3 into the free space below grid 14, and enters vessel 10 through grid 14 or other distribution means, at a superficial linear velocity. of about 0.1 - 5.0 feet per second, preferably below about 1.5 feet per second so as to convert the mass of solids in vessel 10 to a dense turbulent suspension of fluidized solids, preferably having
<Desc / Clms Page number 11>
there is a well-defined upper level L10.
While any gas can be used which is not detrimental to the desired treatment, it is preferred to employ a gas which will promote the desired treatment, for example by reacting with other process materials in a desired manner. , or by reducing the partial pressure of the products to be volatilized.
The heating of the bed of fluidized solids can be carried out according to the invention as follows: mixture of air and fuel gas, such as natural gas or a refinery gas, coal gas, lean gas or water gas, or a suspension of coal dust in air, is supplied to manifold 16 by any conventional device in proportions very close to those theoretically required for the complete combustion of the fuel component into CO2 and water.
This combustion mixture is supplied to the inlet ends of the tubes 20, preferably by individual burner nozzles discharging into the tubes at a point above but very close to the grill 14. It will be understood that suitable means (not shown) can be provided for initiating and maintaining combustion in the tubes. These will generally be in the form of an electric spark igniter, located in the vicinity of the burner nozzle. Suitable turbulence promoting means, such as injectors or baffles, are provided at the inlets of the tubes to ensure rapid and complete combustion of the fuel mixture over a distance corresponding to approximately 1/4 to 1/10 of the total length of the tube.
A suitable specific means of this type will be described in more detail below with reference to Fig. 4. The heat released in this way is transferred to the fluid solids bed at high rates which depend on the temperatures considered, but which can be up to 50,000 BTU / hour / square foot at the inlet end of the tubes. lit, and which can range, on average, from 10,000 to 25,000 BTUs per foot hour
<Desc / Clms Page number 12>
square over the entire surface of the tubes. As a result of the excellent heat transfer characteristics of the fluid bed, heat is quickly and evenly distributed throughout it to establish a substantially uniform temperature level throughout the bed.
By a suitably distributed heat transfer surface, the bed of fluid solids can usually be heated uniformly to a temperature which is only about 100 to 300 F below the gas outlet temperature of combustion.
Gaseous products and / or in the form of vapor and / or fluidizing gas containing entrained fines, are withdrawn from above level L10 and can be sent through a gas and solids separation system such as a separator. - cyclone tor 26 from which the separated solids can be returned to the container 10 by a siphon 28 or eliminated by the pipe 25. The fluidized solids can be removed by the bad from the fluidized bed using suitable removal means 35 from any point below level L10
Although the heating tubes 20 of Fig. 1 are arranged in a vertical position, it should be noted that horizontal heating tubes may be preferable in many cases from the standpoint of construction and heat transfer.
For example, it may be desirable to have heater tubes 20 supported in the walls of the reaction device rather than in the bottom thereof. A system of this type is illustrated in figs. 2 and 3, in which parts of the apparatus similar to parts of FIG. 1 are designated by the reference numerals.
Referring now to FIG. 2, it can be seen that there is shown a horizontal section of a container 10 which is similar to container 10 of FIG. 1 in all respects,
<Desc / Clms Page number 13>
except that the tubes 20 are arranged in a horizontal position. As shown in fig. 2, the tubes 20 enter the wall of the reaction vessel on opposite sides thereof and in an alternating fashion. A manifold 16 for the supply of the combustion mixture and a manifold 18 for the removal of flue gases are disposed entirely outside the cross section of the reaction vessel.
FIG. 3 is a longitudinal view of a container of the type illustrated in FIG. 2. The fluidized bed level L10 and the distribution grid 14 are shown in this section. The points 20 indicate the places where the heating tubes enter the wall of the vessel 10. Figs. 2 and 3 can be used as illustrations of a rational distribution of the heat transfer surfaces in the form of tubes. horizontal heating elements extending over the entire height and width of the fluid bed. The free ends of the horizontal tubes 20 located in the container 10 may be supported in any conventional manner at the top, the base or on the side walls of the container 10. In all other respects, the model and the model. operation of the system of fig. 2 and 3 are similar to those described in connection with fig.l.
Particularly suitable means for obtaining the release of concentrated heat and improved heat transfer characteristics, according to the present invention, are illustrated in fig. 4 which is a longitudinal section of a preferred variety of tubes. of the type shown in Figs. 1 to 3, drawn on a larger scale for a better understanding of various details. As indicated in fig.
4 the mixture of combustion fuel and air can be injected from manifold 16 into the inlet end of a tube 20 by means of a conventional nozzle 38, the discharge of which in the tube gives an excellent mixture. and high turbulence in the mixture
<Desc / Clms Page number 14>
gaseous age. Additional turbulence promoter devices, such as radial baffles or deflectors 40, may be placed close to the inlet end of the tube. Successive radial baffles are preferably offset in a rotational movement in order to achieve the effect. promoter on the mixture. These baffles are preferably ceramic or some other heat resistant material, but they can also be made of metal alloys thermally well suited to the wall of the tube.
Further downstream in the tubes, refractory cones and other introduced parts 50 can be supported by any suitable means allowing the passage of the flue gases but playing the role of promoter for the turbulence of the gas flow. . The spacing between the parts 50 is preferably reduced towards the outlet of the tube, as indicated schematically in the drawing. In this way, we maintain. not only sufficient turbulence along the entire length of the tube, but also an additional radiation surface is formed which increases as the temperature of the flue gases decreases, thereby improving the rate of transfer. fertile heat.
It is also possible to promote the concentrated combustion of the fuel, according to the spirit of the invention, by adjusting the ratio of air to fuel so as to make the fuel mixture leaner compared to the theoretical ratio for a combustion. full bustion.
Although it has been considered in the description given above of Figs. 1 to 4 the supply of a combustion mixture prepared in advance to the manifold 16 and the tubes 20, it should be noted that one could very well feed the fuel and the combustion support gas separately to the tubes 20. For example, in fig. 4, the fuel can be fed through the pipe.
<Desc / Clms Page number 15>
te 16a in the form of a gas, liquid or dust, and the air may be supplied through line 16 and nozzle or nozzle 38 in a manner suitable to achieve the desired mixing and turbulence at the nozzle outlet.
When the systems illustrated by the drawing are employed for the distillation or low temperature carbonization of carbonizable solids, the vessel 10 should be filled with a dry flowable solid material, preferably coke or other solid carbonization residue. such as spent oil shale or tarry sand, which is maintained at the desired charring temperature of about 800 F to 1200 F using tubes 20. For this purpose, about 500,000 - 1,000,000 BTUs per ton feed of carbonizable solids must generally be generated in tubes 20 to effect carbonization. The carbonizable material is fed through line 1 into the bed of hot, dry, fluidized solids at a rate which will prevent significant clumping in vessel 10.
In the event that the particles tend to agglomerate during operation, the solids can be withdrawn through line 35, crushed and returned through line 1. Charred solids can be collected through line 35 at the rate at which they are produced. . Water vapor, an inert gas or a gaseous product can serve as the fluidizing gas, preferably at a surface velocity of the order of about 0.5 to 5.0 feet per second, with particle sizes. for solids of about 8 to 100 mesh to create apparent bed densities of about 10 to 50 pounds per cubic foot. Carbonization pressures can range from atmospheric pressure to 200 pounds per square inch, preferably below 50 pounds per square inch.
A similar process can be used to coke
EMI15.1
## ps T-pqirius n'heavy oils and other hydrocarbonaceous materials
<Desc / Clms Page number 16>
liquids at processing conditions. In this case, the liquefied feed can be fed through line 2, preferably in a finely divided state, for example by means of suitable spray heads, into a fluidized solids bed of the type and at the temperature specified above. Finely divided, inert fluidized solids, such as sand or clay, may be employed, particularly during the priming period, having: a particle size of between 50 and 400 mesh. .
When it is desired to produce gas mixtures containing H2 and CO, such as feed gases for the catalytic synthesis of hydrocarbons and other valuable products, from liquid or solid carbonaceous materials, it is practically possible follow the procedures described above except that higher temperatures must be used and the fluidized solids bed must be supplied with water vapor and / or CO2 in sufficient quantities for the reaction. If high reactivity carbonaceous starting materials, such as carbon black obtained by low temperature carbonization of the fluid type, certain lignites, etc. are employed, temperatures of about 1600 - 170C F are sufficient to achieve this. satisfactory operation, particularly at elevated pressures of about 200 to 400 pounds per square inch.
The systems of fig. 1 to 4 can also be used for the reforming of hydrocarbons, in particular hydrocarbon gases such as natural gas, refining gas or the like, with water vapor and / or CO 2 in the presence. suitable catalysts for producing H2 or mixtures of H2 and CO of the type mentioned above.
In this case, the vessel 10 contains a finely divided reforming catalyst, such as nickel oxide supported on magnesia, aluminum.
<Desc / Clms Page number 17>
ne and / or silica, with fluidizable particle size, and a mixture of water vapor and / or CO 2 with the gas to be reformed is introduced through line 3. The tubes 20 can be maintained at a maximum temperature of d 'about 1600 - 1800 F by combustion of finely divided solid or gaseous fuel, to establish a suitable reforming temperature of about 1200 - 1600 F in the fluid bed of vessel 10.
Other high temperature treatments, catalytic or non-catalytic, can be carried out in the systems of FIGS.
1 to 4 in a substantially analogous manner, as will be apparent to those skilled in the art. Although the tubes 20 have been shown in the form of hairpin tubes, it goes without saying that straight tubes provided with conventional supply and outlet manifolds can be employed in the same way.
Various other modifications can also be made to the systems described above without departing from the scope of the invention.
The invention will be further illustrated by the specific example given below and relating to the low temperature carbonization of bituminous coal.
E X E M P L E
EMI17.1
<tb> Feed <SEP> coal, tonnes / day <SEP> (100% <SEP> to <SEP> through
<tb>
<tb>
<tb> mesh <SEP> 8 <SEP> 1. <SEP> 000
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> <SEP> content <SEP> moisture <SEP> of the <SEP> coal, <SEP>% <SEP> H20
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Speed <SEP> of feeding <SEP> from the <SEP> coal <SEP> to the <SEP> container,
<tb>
<tb>
<tb> liv / hour / foot <SEP> square <SEP> of <SEP> the <SEP> cross section <SEP> <SEP> of <SEP> reads <SEP> 630
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> of <SEP> carbonisatin <SEP> f <SEP> 900
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Height <SEP> of <SEP> bed, feet <SEP> 22
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Carbonization <SEP> pressure <SEP>, <SEP> liv / inch <SEP> square <SEP> 1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Fuel <SEP> required, <SEP> by-product <SEP> gaseous <SEP> SCFM (860BTU / SCF) <SEP> 1.
<SEP> 060
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Air <SEP> required, SCFM <SEP> 9. <SEP> 900
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Steam <SEP> for <SEP> the <SEP> fluidization, <SEP> liv / hour <SEP> 7.060
<tb>
<Desc / Clms Page number 18>
EMI18.1
<tb> <SEP> area of <SEP> heating <SEP> of the <SEP> tubes, <SEP> square feet <SEP> <SEP> 2,600
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Number <SEP> of <SEP> tubes <SEP> in <SEP> pins <SEP> to <SEP> hair <SEP> required <SEP> 142
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Diameter <SEP> of the <SEP> tubes, <SEP> inches <SEP> 4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Maximum <SEP> temperature <SEP> of the <SEP> metal <SEP> of the <SEP> tubes, <SEP> F <SEP> 1. <SEP> 300
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Temperature <SEP> of <SEP> outlet <SEP> of <SEP> gases <SEP> from <SEP> combustion, <SEP> F <SEP> 1.
<SEP> 190
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Average <SEP> speed <SEP> of <SEP> transfer <SEP> from <SEP> heat <SEP> to <SEP> through
<tb>
<tb>
<tb> the <SEP> tubes, <SEP> BTU / hour / foot <SEP> square <SEP> 12,500
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Yields
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Coke, <SEP> tonnes / day <SEP> 716
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tar <SEP> recovered, <SEP> tonnes / day <SEP> 102
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gaseous <SEP> by-product <SEP> net, <SEP> SCF / day <SEP> (860BTU / SCF) <SEP> 750.000
<tb>
The foregoing description and the operations given by way of example have served to illustrate specific applications and results of the invention, but are not intended to limit its scope.
EMI18.2
R E U E N D I C A T I 0 N S
** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.