<Desc/Clms Page number 1>
WERKWIJZE EN INRICHTING VOOR HET KOELEN VAN EEN WARMTEGELEIDENDE WAND.
De werkwijze heeft betrekking op een verbeterde werkwijze en inrichting voor het koelen van warmtegeleidende wanden van elke willekeurige vorm, in het bijzonder van de warmtegeleidende wanden van chemische reactoren, waarin-warmte van zulke wanden wordt overgebracht naar vast warmte-overdrachtsmateriaal, dat in een gefluidiseerde toestand wordt gehouden en zich in contact bevindt met de wand. De uitvinding vindt speciale, hoewel niet uitsluitende, toepassing voor het regelen van de temperatuur van de reactiestoffen, waarmede een exotherme reactie wordt uitgevoerd in een reactor, die met voordeel is uitgevoerd in de vorm van buizen, waardoor het reactiemengsel stroomt.
Bij vele werkwijzen is het gewenst een warmtegeleidende wand te koelen ten einde deze op de gewenste temperatuur te houden en plaatselijke overkoeling te vermijden. Een nagenoeg gelijkmatige wandtemperatuur van de reactprbuizen, waarin een exotherme reactie wordt uitgevoerd,wordt gewoonlijk bereikt door rondom de buizen een koelmantel aan te brengen, waarin zich een kokende vloeistof bevindt, en de vloeistof en de druk in de mantel zodanig te kiezen, dat de vloeistof bij de vereiste temperatuur kookt. De mate, waarin de temperatuur beneden de gewenste wandtemperatuur moet liggen, hangt af van de snelheid, waarmede de warmte-overdracht van de wand naar de vloeistof in de mantel plaats vindt. Soms werkt deze werkwijze niet bevredigend om één of meer van de volgende redenen :
1.
De warmtestroming, d.w.z. de snelheid, waarmede de warmte van de wand naar het koelmedium stroomt, die afhankelijk is van de omstandig- heden in de reactor, is in bepaalde gevallen soms te gering om de koel-
<Desc/Clms Page number 2>
vloeistof over het gehele wandoppervlak te doen koken. Hierdoor kan het voorkomen, dat de koeling tot vrije convectie van de vloeistof over de wand beperkt blijft en verdamping aan het oppervlak van de vloeistof plaats vindt in tegenstelling tot koken. Zelfs indien de vloeistof enigszins beneden het oppervlak kookt, kan de hoeveelheid in de koelmantel aanwezige damp soms zo gering worden (bijvoorbeeld wanneer de snelheid, waarmede warmte in de reactor vrij komt, daalt), dat het oppervlak van de koelvloeistof lager wordt, zodat bepaalde delen van de reactorbuizen niet langer onder de vloeistof liggen.
2. De statische druk in de koelmantel is te hoog, in het bijzonder wanneer lange verticale buizen worden gebruikt. Dit heeft tot gevolg, dat de kooktemperatuur van de koelvloeistof over de hoogte aanzienlijk verandert. Aangezien de statische druk afhangt van de hoeveelheid in de vloeistof aanwezige damp, is deze verandering in de kooktemperatuur variabel en wordt zij versterkt door geringe warmtestroming, zoals in de vorige alinea is vermeld.
3. De gewenste temperatuur kan de toepassing van dure of moeilijk te behandelen vloeistoffen of ondoelmatige drukken nodig maken.
Doel van de uitvinding is een verbeterde werkwijze en inrichting aan de hand te doen voor het koelen van warmtegeleidende wanden, waarmede de hierboven genoemde moeilijkheden worden vermeden. In het bijzonder beoogt de uitvinding dergelijke wanden te koelen onder de navolgende omstandigheden : 1. Gelijkmatige temperatuur van het koelmiddel in de mantel met als gevolg een meer gelijkmatige temperatuur van de wand van de reactor.
2. Een hoge snelheid, waarmede warmte-overdracht tussen koelmiddel en de wand plaats vindt, waardoor de eerste op een temperatuur kan worden gehouden, die dichter bij de gewenste temperatuur van de laatste ligt, met als gevolg, dat gelijkmatigere wandtemperaturen kunnen worden bereikt ondanks de lage warmtestroming ten geolge van inwendige weerstand of lage chemische reactiesnelheden.
3. Middelen om de temperatuur, hetzij periodiek met de hand, hetzij automatisch en contunu te regelen zonder de druk in de mantel te veranderen.
4. De mogelijkheid om goedkope vloeistoffen, bijvoorbeeld water, te gebruiken bij lage drukken, zoals atmosphérische druk of een geringe overdruk.
5. De mogelijkheid van damplaagvorming, doordat zich gaszakken op de warmtegeleidende wand vormen, te ondervangen.
6. Lagere kosten voor het in geflu#diseerde toestand houden van het warmte-overdrachtsmateriaal.
7. Verdeling van de koelmantel in separate kamers met opwaartse en neerwaartse stroming en middelen voor het regelen van de circulatiesnelheid van het warmte-overdrachtsmateriaal door deze kamers, waardqor handhaving en regeling van een verticale temperatuurgradi#nt mogelijk is, zoals voor bepaalde chemische reacties gewenst kan zijn.
8. Doelmatig gebruik van afgewerkte warmte door de inrichting zodanig uit te voeren , dat stoom of een ander gas, dat in de koelmantel wordt opgewekt, zich onder elke gewenste druk bevindt en aanzienlijk is oververhit voor het drijven van krachtinstallaties of voor het opwekken van stoom dan wel het voorverhitten van de te behandelen reactiestoffen in warmte-uitwisselaars.
9. Hoge thermische inertie, waardoor de gevolgen van schommelin- gen in de reactietemperatuur of in de toevoersnelheid van het koelmiddel snel worden vereffend.
Volgens de uitvinding wordt een fluïde bed, bestaande uit vast
<Desc/Clms Page number 3>
warmte-overdrachtsmateriaal, in contact gehouden met de af te koelen warm- tegeleidende wand en wordt aan de onderkant van het fluide bed een vloei- stof toegevoerd, die bij de laagste wand temperatuur een dampspanning heeft) die de bij het punt van vloeistoftoevoer heersende spanning overtreft en wel bij voorkeur met 20 % tot vele malen de spanning, als gevolg waar- van de vloeistof verdampt en de ontstane gassen in opwaartse richting door het bed stromen en het warmte-overdrahtsmiddel afkoelen.
Het naar boven stromende gas vormt al het fluidisatiegas of een deel daarvan, dat dient om het bed in gefluldiseerde toestand te houden, d.w.z. een hulpfluldisa- tiegas kan eventueel worden toegevoegd al naar gelang de bijzondere be- drijfsomstandigheden, zoals de warmtestroming en de totale volumetrische hoeveelheid van het benodigde fluidisatiegas, de afmetingen van het warmte- overdrachtsmateriaal, alsmede de vorm en afmeting van de inrichting, enz.
De temperatuur van het fluide bed wordt geregeld door de toevoersnel- heid van de vloeistof te regelen. De temperatuur in de verschillende delen van het fluide bed kan naar verkiezing zodanig worden geregeld, dat zij nagenoeg overal gelijk is of volgens een verticale temperatuurgradiënt verloopt ;
het eerste is het geval wanneer de koelmantel van de reactor, die hierna flu#disatievat zal worden genoemd, geen tussenschotten bevat, die de opstijgende en neerdalende deeltjes van elkaar gescheiden houden, ofschoon stootplaten, roosters en dergelijke kunnen zijn aangebracht,ter- wijl het laatste voorkomt wanneer een tissenschot, bijvoorbeeld een lange buis, is aangebracht, waardoor het flutdisatievat wordt verdeeld in kamers met opwaartse en neerwaartse stroming, en er middelen zijn voor het regelmatig doen circuleren van het vaste warmte-overdrachtsmateriaal.
Door nu een vloeistof in het warmte-overdrachtsmateriaal bevattende bed te leiden en de vloeistof in het bed te verdampen, wordt het mogelijk, de temperatuur van het bed te regelen door de snelheid,waarmede de vloeistof wordt toegevoerd, eenvoudig te variëren, aangezien de afkoeling grotendeels het gevolg is van de verdampingswarmte van de vloeistof. Uiteraard heeft de begintemperatuur van de vloeistof enige invloed, maar deze is van ondergeschikt, belang. Een bijzonder voordeel van deze werkwijze is, dat men de temperatuur van het vaste warmte-overdrachtsmateriaal in het fluldisatievat desgewenst kan variëren zonder een overeenkomstige drukverandering in het vat te veroorzaken, zoals vereist is wanneer in de koelmantel een vloeistof wordt verdampt onder omstandigheden van evenwicht.
De regeling van het koelproces wordt hierdoor aanzienlijk vereenvoudigd en het is verder mogelijk een zodanige druk te kiezen, dat het door de verdamping van de vloeistof ontstane gas dat later vanaf het boveneinde van het bed wordt afgevoerd, doelmatig verder voor andere doeleinden kan worden gebruikt, bijvoorbeeld als stoom, die in elke gewenste mate kan woeden oververhit.
Een belangrijk voordeel ten opzichte van de toepassing van een gewoon flulde bed, waarmede men koeling bewerkstelligt en waarin al het fluldisatiegas als gas in het bed wordt geleid, is gelegen in een meer economische werking van de inrichting. Een groot deel van de energie, welke in de gebruikelijke inrichting voor het in gefluidiseerde toestand houden van vast warmte-overdrachtsmateriaal wordt gebruikt, wordt als compressie-arbeid verbruikt. Door vloeistof in het bed te voeren zijn slechts lage energiekosten vereist voor het verpompen van de vloeistof, aangezien het door de verdamping van de vloeistof gevormde gas geheel of voor een groot gedeelte de totale hoeveelheid benodigd flu#disatiegas vormt.
Een flulde bed heeft steeds een hoge warmte-overdrachtscoëfficient, bijvoorbeeld ongeveer 125-500 kg cal. per m2 per C per uur, en de vaste deeltjes komen in effectief contact met alle delen van het oppervlak van de warmtegeleidende wand. Hierdoor wordt het vaak mogelijk met een temperatuurverschil tussen de wand en het geflu#diseerde vaste warmte-overdrachtsmateriaal te werken, dat kleiner is dan bij de werkwijze, waarbij een vloeistof in een koelmantel kookt, waardoor de kans op plaatselijke overkoeling wordt verminderd ; bovendien wordt vermeden, dat bepaalde
<Desc/Clms Page number 4>
plaatsen op het oppervlak van de warmtegeleidende wand niet effectief worden gekoeld, zoals bij gewone koelmantels wanneer gaszakken voorkomen op de wand.
De ervaring heeft geleerd, dat de erosie van de wanden van de reactorbuizen niet ernstig behoeft te zijn.
De als warmte-overdrachtsmateriaal toegepaste vaste stoffen bestaan veelal uit kleine zanddeeltjes en het is van voordeel, indien in het bed geen deeltjes voorkomen, waarvan de diameter sterk verschilt van de gemiddelde diameter van de deeltjes. Bij voorkeur wordt zand toegepast, ofschoon vaste stoffen, bijvoorbeeld metaaloxyden van het als katalysator toegepaste type, eveneens in aanmerking komen.
Door het gebruik van bijzonder fijne deeltjes als warmte-overdrachtsmateriaal te vermijden, kan het warmte-overdrachtsmateriaal gemakkelijker uit het afvoergas worden teruggewonnen, terwijl aan de andere kant voor zeer grote deeltjes zeer hoge opwaartse gassnelheden nodig zijn om de gefluldiseerde toestand te handhaven.Zonder de uitvinding hiertoe te beperken, past men bij voorkeur zand toe, waarvan de diameter van de deeltjes tussen ongeveer 0,12 en 2,5 mm ligt. Een typische zandsoort kan bijvoorbeeld bestaan uit deeltjes, . waarvan 95% een diameter heeft, die ligt boven 0,18 mm en onder 2,5 mm.
Een"flu#de bed" wordt gevormd door een massa, welke bestaat uit vaste deeltjes in een gas die niet kunnen uitzakken, een pseudovloeibare mobiliteit vertoont, een hydrostatische druk en een duidelijk waarneembaar vrij grensoppervlak heeft. Een "turbulent fluïde bed" is een fluïde bed, waarin de mobiliteit van de massa zodanig is, dat menging plaats vindt. Dergelijke bedden zijn bekend als "dichte flu#debedden"respec- tievelijk "dichte,turbulente fluïde beden". Een "gedispergeerde suspensie" is een maasa deeltjes, gesuspendeerd in een gasstroom, die in opwaartse richting langs de deeltjes stroomt, en verschilt van een fluïde bed doordat geen scheidingsvlak wordt gevormd.
Voor nadere bijzonderheden over de aard van deze bedden en de definities van de gebruikte termen zij verwezen naar "Fluidization Nomenclature and Symbols", Industrial and Engineering Chemistry, Deel 41, blz. 1249-1250, Juli 1949.
Onder "gas zullen hierna ook worden verstaan stoffen, welke vaak "damp" worden genoemd.
De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van de bijgaande tekeningen, die enkele bij voorkeur toegepaste uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de werkwijze illustreren en waarin :
Fig. 1 een verticale dwarsdoorsnede is van een volgens de uitvinding geconstrueerde reactor ;
Fig. 2 een dwarsdoorsnede is over de lijn2-2 van Fig. 1 ;
Fig. 3 een verticale dwarsdoorsnede is van een gewijzigde uitvoeringsvorm van de reactor ;
Fig. 4 een dwarsdoorsnede over de lijn 4-4 van Fig. 3 ;
Fig. 5 een verticale dwarsdoorsnede is van een andere, gewijzigde uitvoeringsvorm van een reactor met separate kamers voor stroming in opwaartse en neerwaartse richting ;
Fig. 6 een dwarsdoorsnede is over de lijn 6-6 van Fig. 5 ;
Fig. 7 een verticale dwarsdoorsnede is van weer een andere gewijzigde uitvoeringsvorm van de reactor met separate kamers voor stroming in opwaartse en neerwaartse richting en
Fig. 8 een dwarsdoorsnede is over de lijn 8-8 van Fig. 7.
In Fig. 1 en 2 wordt met 10 een verticale mantel aangeduid, die een fluidisatievat of -kamer vormt, gedeeltelijk begrensd door de verticale reactiebuizen 11, die in de mantel liggen, en waarvan de warmtegeleidende wanden moeten worden gekoeld. Deze buizen tezamen vormen de
<Desc/Clms Page number 5>
reactor en de einden van deze buizen kunnen zijn afgesloten door de aan de mantel verbonden pijpplaten 12 en 13. De onderste plaat 12 is bevestigd tussen het geflenste benedeneinde van de mantel en het gewelfde onderein- de 14, waarin een leiding 15 is aangebracht, en de bovenste plaat 13 kan eventueel verbonden zijn aan het gewelfde boveneinde 16 van de mantel door een expansiekoppeling, bijvoorbeeld door het gegolfde blaasbalgachtige gedeelte 17, terwijl het gewelfde boveneinde kan zijn voorzien van een leiding 18.
De stroom van uitgangsmateriaal, bijvoorbeeld reagerende stof- fen, die aan een exotherme reactie worden onderworpen, wordt in opwaartse of neerwaartse richting door de buizen 11 geleid met behulp van de buizen
15 en 18. De mantel heeft bovenaan een verbreed gedeelte 19, dat aan het onderste gedeelte door een afgeknot-conisch gedeelte 20 is verbonden en waarin een aantal cyclonen'21 zijn aangebracht voor het scheiden van gassen en vaste stoffen en welke zijn voorzien van tangentiale inlaatopenin- gen 22, gasuitlaatopeningen 23 en dompelpijpen 24 voor de terugvoer op de hierna te beschrijven wijze van het vaste materiaal naar het fluïde bed.
De gasuitlaatopeningen 23 kunnen zijn verbonden aan elke geschikte ver- deelleiding 25 voor verder gebruik van het afgewerkte gas. Een opening
26, die normaliter door een deksel'27 is gesloten, kan zijn aangebracht voor de toevoer, het aanvullen en de afvoer van zand, dat als warmte- overdrachtsmateriaal wordt gebruikt.
Het onderste gedeelte van het fluidisatievat is voorzien van een verdeler 28, bijvoorbeeld een rooster uit onderling verbonden pij- pen met openingen, waarin vloeistof, bijvoorbeeld water, kan worden toe- gevoerd door middel van een pomp 29 met een door regelklep 30 geregelde snelheid. De klep 30 wordt zodanig geregeld, dat een grotere hoeveelheid vloeistof wordt toegelaten indien de temperatuur in de reactiebuizen stijgt. Volgens een gewenste, ofschoon facultatieve uitvoeringsvorm,wprdt de klep automatisch bediend.
Te dien einde is een temperatuurgevoelig element 31 aangebracht op een geschikt punt in één of meer van de buizen ( bij voorkeur aan het uitlaateinde) en een klepregelend element 32, bijvoorbeeld een temperatuurregelaar, is aangebracht tussen het element 31 en de klep 30 ter regeling van de laatste in overeenstemming met de in de reactiebuis optredende temperatuurschommelingen.
Middelen kunnen ook worden aangebracht voor het toevoeren van een hulpfluidisatiegas naar het flu#disatievat, wanneer dit nodig mocht zijn, bijvoorbeeld tijdens het in bedrijf stellen van de inrichting wanneer de vaste deeltjes nog niet voldoe nde zijn verwarmd om de vloeistof te verdampen en/of wanneer de warmtestroming te langzaam is. Deze middelen voor het toevoeren van het gas kunnen zijn aangebracht naast of gecombineerd met de hierboven beschreven middelen voor het toevoeren van de vloeistof. Slechts de laatste uitvoeringsvorm is weergegeven in de tekening. Stoom of een ander gas, bijvoorbeeld lucht onder geschikte druk, wordt nu van een aanvoerpijp 33 via een regelklep 34 in de verdeelleiding 28 gevoerd.
De klep 34 kan automatisch worden geregeld, desgewenst door een differentiaal-drukregelaar 35 aan te brengen voor de klepregeling en deze regelaar te verbinden met de drukgevoelige elementen 36 en 37, die op verschillende hoogten in het fluidisatievat liggen, en wel zodanig, dat ten minste één hiervan beneden het niveau van het fluïde bed ligt.
Wanneer het fluide bed in het fluldisatievat zich op het gewenste niveau 38 bevindt, is het drukverschil tussen de elementen 36 en 37 voldoende om minder of helemaal geen stoom toe te laten ; indien het niveau van het bed daalt, wordt dit drukverschil lager en zal regelaar 35 geleidelijk de klep 34 openen om meer fluidisatiegas door te laten en het bed in zijn oude toestand terug te brengen.
Tijdens het bedrijf worden de reagerende stoffen toegevoerd door de leiding 18 en afgevoerd door de leiding 15 (of omgekeerd) en zij stromen door de reactiebuizen 11, waardoor het reactievat wordt gevormd.
Daar het flu#disatievat reeds van te voren met warmte-overdrachtsmate-
<Desc/Clms Page number 6>
riaal is gevuld, bijvoorbeeld met zand, kan eerst stoom worden toegelaten uit de leiding 33 via de klep 34 en de verdeelleiding 28 ten einde het vaste warmteoverdrachtsmateriaal in een geflu#diseerde toestand te brengen. Stoom wordt afgevoerd vanaf de bovenzijde van het bed en door het vergrote bovenste gedeelte met verlaagde snelheid geleid. Vervolgens wordt de stoom door de cyclonen'21 gevoerd, waarin zij wordt ontdaan van meegevoerd vast materiaal en vanwaar zij in de leiding 25 wordt geleid.
Wanneer de buizen 11 door de daarin aanwezige reagerende stoffen zolang worden verhit, dat de temperatuurregelaar 32 in werking wordt gesteld, wordt water door de pomp 29 via de klep 30 en de verdeelleiding 28 toegevoerd. De vaste deeltjes van het fluïde bed, die in contact zijn met de buizen, worden verhit en het water wordt in direct contact gebracht met het verhitte vaste materiaal. Als gevolg hiervan verdampt het water tot stoom, die als fluidisatiegas door het fluidisatievat opstijgt.
Hierdoor wordt de stroom van het flu#disatiegas vergroot en neemt het drukverschil tussen de drukgevoelige elementen 36 en 37 toe, waardoor de differentiaal-drukregelaar 35 de stoomtoevoer afsluit of verkleint. Het water koelt het vaste warmte-overdrachtsmateriaal, dat weer warmte opneemt van de buiswanden. De temperatuur van het fluïde bed is op alle punten nagenoeg gelijk behalve in de onmiddellijke omgeving van de verdeelleiding 28, waar een iets lagere temperatuur heerst. Er bestaat een goede warmte-uitwisseling tussen het bed en alle delen van het oppervlak van de buizen, onder het niveau 38.
Bij het in bedrijf stellen kan de klep 39 in de afvoerleiding 25 worden opengehouden voor de afvoer van stopm en kan het fluïdisatie- vat bij lage druk of nagenoeg atmospherische druk werken, zodat de kosten voor de compressie-arbeid voor de uit leiding 33 toegelaten stoom verminderd kunnen worden. Nadat de inrichting in bedrijf is, kan deze klep worden gesloten en klep 40 worden geopend, zodat de stoom naar een geschikte kracht- of warmte-installatie, bijvoorbeeld een turbine of warmte-uitwisselaar, kan worden geleid, die bij elke gewenste druk kan werken.
De druk in het flu#disatievat moet echter niet zo hoog zijn, dat condensatie van de vloeistof in het fluïde bed optreedt ; verdient de voorkeur, de druk zo laag te houden, dat de dampspanning van het water of een andere vloeistof voor de laagste temperatuur van de buizen 11 ten minste '20% groter is dan de druk van het bed bij de verdeelleiding 28.
Gewoonlijk bedraagt de holle ruimte bij het flu#de bed 0,30- 0,80. Deze suspensie dient te worden onderscheiden van een vast opgesteld bed of een stilstaand fluide bed, waarin weinig of geen menging van de deeltjes plaats vindt en waarin de warmte-overdrachtscoëffichienten met betrekking tot de warmtegeleidende wand lager zijn. Ten einde hoge warm- te-overdrachtsco#fficienten te bereiken, is het wenselijk de deeltjes in zodanige turbulentie of mobiliteit te houden, dat het Reynoldsgetal ten minste 2 en hij voorkeur meer dan 5- is.
Het Reynolsgetal is een dimensieloos getal, bepaald door de formule : Du# , waarin D de diameter van een deeltje, 31 de snelheid van het deeltje ten opzichte van het opstijgende flu#disatiegas, # de dichtheid van het gas en de viscositeit van het gas in samenhangende eenheden voorstelt.
De reactor kan bijvoorbeeld worden toegepast voor de bereiding van aethyleenoxyde, waarbij de externe wandtemperatuur van de buizen 11 ongeveer 500 F en de uitlaattemperatuur van de stom ongeveer 490 F kan bedragen. De druk bovenaan het flu#disatievat kan gelijk zijn aan de atmospherische druk, waarbij hoog-oververhitte stoom gevormd wordt, of kan gelijk zijn aan elke gewenste overdruk, maar dient niet meer dan ongeveer 38,5 ata. te bedragen, zodat de druk bij de verdeler niet meer dan 39,8 atm zal zijn bij een fluide bed dat 10 1/2 m hoog is en waarin de drukval ongeveer 1,3 kg/cm2 bedraagt.
In de Fig. 3 en 4, waarin de met elkaar overeenkomende delen
<Desc/Clms Page number 7>
dezelfde nummering dragen, en die andere uitvoeringsvormen weergeven, is het bovenste verbrede deel 19 van de mantel 10 iets kleiner en ligt de cycloon 21 buiten de mantel. Flu#disatiegas wordt boven het niveau 38 van het bed afgevoerd, door de cycloon geleid en door de uitlaat 23 af- gevoerd voor verder gebruik elders. Het vaste door de qycloon afgeschei- den materiaal wordt naar het onderste gedeelte van het fluidisatievat via retourleiding 24 geleid.
De vloeistof en het fluidisatiegas worden in deze uitvoerings- vorm door verschillende inlaatopeningen toegevoerd ; de vloeistof stroomt van pomp 29 via klep 30 en leiding 28. Een afzonderlijke verdeler 41 is aan de onderkant van het vat aangebracht voor de verdeling van stoom of een ander flu#disatiegas, dat door klep 42 wordt toegelaten. Voor de auto- matische regeling van de klep 30 kan een temperatuurgevoelig element 43 en een temperatuurregelaar 35 worden aangebracht. Het element 43 ver- schilt van het element 31 van de hierboven besproken uitvoeringsvorm, doordat het de temperatuur meet van de bovenkant van het flu#de bed.
De werking van de in Fig. 3 en 4 afgebeelde uitvoeringsvorm is analoog aan die, welke hierboven is beschreven met uitzondering van de bediening van klep 42, die hier met de hand geschiedt.
Fig. 5 en 6 illustreren de toepassing van een tussenschot voor de gescheiden stroming in opwaartse en benedenwaartse richting van het warmte-overdrachtsmateriaal. De uitvoering is analoog aan die, welke beschreven is voor de Fig. 3 en 4, en ook hier weer zijn de met elkaar overeenkomende delen met dezelfde nummering aangegeven. Het flu#disatie- vat heeft een centrale buis 45, die een tussenschct vormt, dat het vat in een centrale kamer met stroming in opwaartse richting en een ringvormige kamer met stroming in benedenwaartse richting verdeelt. De buis 45 ein digt op enige afstand van de bovenkant van het vat, zodat deze kamers bovenaan vrijelijk met elkaar in verbinding staan.
Er zijn een aantal openingen 46 aan de onderkant aangebracht, zodat deze kamers ook onderaan met elkaar in verbinding staan. De vloeistofverdeler 28 en de gasverdeler 41 liggen in de ringvormige kamer met neerwaartse stroming. Verdelers 47 en 48 voor de vloeistof, respectievelijk het gas (die als eenvoudige sproeiers kunnen zijn uitgevoerd) liggen aan de onderkant van de kamer met opwaartse stroming en althans één ervan, bij voorkeur de gasverdeler, ligt onder de openingen 46. Deze verdelers zijn voorzien van de regelkranen 49 respectievelijk 50 en kunnen worden aangesloten op dezelfde aanvoer, bijvoorbeeld van water en stoom, als de kleppen 30 respectieve- lijk 42.
De klep 30 wordt bediend door een temperatuurregelaar, die verbonden is met een temperatuurgevoelig element 51, gelegen in de uitlaatleiding 15 voor het meten van de temperatuur van de reagerende stoffen, ofschoon dit element eventueel kan zijn gelegen in één van de buizen of in de flu#disatiekamer zoals afgebeeld voor de elementen 31 respectievelijk 43 van de Figuren 1 en 3.
De werking van deze uitvoeringvorm verschilt van de hierboven beschreven uitvoeringsvormen doordat het warmteoverdrachtsmateriaal opstijgt door de kamer met opwaartse stroming binnen de buis 45 als een gedispergeerde suspensie in fluidisatiegas, dat door de verdeler 48 wordt toegelaten en/of wordt gevormd door verdamping van vloeistof, toegevoerd door de verdeler 47. In het algemeen zal het bij deze uitvoeringsvorm wenselijk zijn wat gas door de verdeler 48 onder alle of de meeste bedrijfsomstandigheden toe te laten, ten einde de circulatiesnelheid vanbet aste warmte-overdrachtsmateriaal te kunnen regelen op de hierna te beschrijven wijze.
De minimale opwaartse snelheid van het fluldisatiegas in de kamer met opwaartse stroming is de uiteindelijke valsnelheid voor een enkel deeltje van het warmte-overdrachtsmateriaal ; deze snelheid wordt hoofdzakelijk bepaald door de deeltjes-grootte, de deeltjesdichtheid en de gasdichtheid. In het algemeen is de gassnelheid met voordeel iets meer dan dit minimum en gewoonlijk zullen snelheden van ten minste 4,8 m /sec. wor-
<Desc/Clms Page number 8>
den toegepast en de horizontale afmetingen van de buis 45 worden zodanig gekozen, dat een dergelijke snelheid met een tamelijk kleine gashoeveelheid kan worden bereikt ;
in de meeste gevallen is het gewenst, grotere snelheden te bereiken, bijvoorbeeld bij voorkeur variërende van ongeveer 7,8 tot 12 m/sec,', indien de deeltjes, bijvoorbeeld zanddeeltjes, een diameter hebben die varieert van 0,12-1,2 mm, en nog hogere snelheden, bijvoorbeeld 30 m/sec., kunnen worden toegepast, in het bijzonder wanneer de deeltjes van het vaste warmte-overdrachtsmateriaal een grotere diameter hebben.
Door toepassing van hogere snelheden worden pulsaties en onregelmatige bewegingen van het vaste materiaal in deze kamer vermeden.Zois het bijvoorbeeld gewoonlijk van voordeel als de gassnelheid meer dan 1,1 maal de uiteindelijke valsnelheid bedraagt bij een gewichtsverhouding van vast warmte-overdrachtsmateriaal tot gas in de opstijgende suspensie van 10 en meer dan 1,6 maal de uiteindelijke valsnelheid bij een gewichtsverhouding van 60, enz. in een lineaire verhouding.
Echter wordt te grote drukval vermeden door niet te ver boven dit minimum te werken, bijvoor- beeld niet boven 4,0 maal de uiteindelijke valsnelheid.Bij de gedispergeerde suspensie, waarvan de vorming hierboven is beschreven, bedraagt de holle ruimte gewoonlijk veel meer dan 0,85, bijvoorbeeld 0,88 tot 0 99 al naar gelang de gewichtsverhouding tussen vast warmte-overdrachtsmateriaal en gas.
De suspensie stroomt vanuit de bovenkant van de buis in het verbrede deel 19, waarin de meeste deeltjes naar beneden in de ringvormige kamer met neerwaartse stroming uitzakken. Het gas tezamen met het fluidi- satiegas, dat in de kamer met neerwaartse stroming omhoog stijgt, stroomt via inlaat 22 in de cycloon 21 en wordt via uitlaat 23 voor verder gebruik elders afgevoerd, zoals hiervoor beschreven, waarbij de druk op gelijke wijze wordt gehandhaafd.
De door de kamer met neerwaartse stroming dalende deeltjes worden in een gefluïdiseerde toestand gehouden door flu#disatie- gas, dat door de verdeler 41 wordt toegevoerd en/of wordt gevormd door verdamping van vloeistof, die door de verdeler 28 wordt toegevoerd, waardoor een goede warmte-uitwisseling tussen de buizen 11 en de vaste deeltjes wordt gewaarborgd. De temperatuurgradiént in de kamer met neerwaartse stroming kan worden geregeld door de circulatiesnelheid van het vaste warmteoverdrachtsmateriaal met behulp van de keppen 49 en 50 te regelen.
Indien beide worden gesloten, is er geen circulatie en de omstandigheden in de kamer met opwaartse stroming zijn analoog aan die, welke hierboven voor de Fig. 1 en 2 zijn beschreven, d.w.z. de temperatuur binnen het bed is nagenoeg gelijkmatig vanaf een niveau, dat enigszins boven het niveau ligt waarbij vloeistof bij 28 wordt toegevoerd tot aan het bovenste niveau 38 van het fluide bed. Door meer gas via de klep 50 en de verdeler 48 toe te voeren, wordt de circulatiesnelheid van het vaste materiaal vergroot, waardoor een temperatuurgradiënt in de kamer met neerwaartse stroming ontstaat en de koeling op verschillende punten over de lengte van de reactiebuis 11 kan worden gevarieerd. De gradiënt wordt steiler naarmate de circulatiesnelheden toenemen.
De aard van deze gradiënt in het fluide bed, dat in contact staat met de buizen 11, zal afhangen van de manier, waarop vloeistof in de verdampingsinrichting wordt geleid. Zo zal, wanneer alle vloeistof aan de onderzijde van de kamer met stroming in benedenwaartse richting via verdeler 28 wordt toegevoerd, de onderzijde van het bed het koelst zijn.
Wanneer alle vloeistof aan de onderzijde van de kamer met stroming in opwaartse richting via verdeler 47 wordt toegevoerd, dan zal het bovenste deel van het bed het koelst zijn (in dit geval moet flu#disatie- gas worden toegevoerd via verdeler 41, terwijl gas van verdeler 48 niet nodig is, mits de verdeler zich onder de openingen 46 bevindt. Vloeistof kan ook in beide verdelers 28 en 47 worden toegevoerd, ten einde het tussenliggende deel van het fluide bed het warmst te maken.
<Desc/Clms Page number 9>
Ofschoon een bij voorkeur toegepaste uitvoeringsvorm is afge- beeld, waarin de kamer met opwaartse stroming centraal in het fluldisa- tievat is gelegen, is de uitvinding uiteraard hiertoe niet beperkt, maar zijn ook andere uitvoeringsvormen mogelijk. Bovendien is het mogelijk de inrichting in een andere uitvoeringsvorm uit te voeren door de buizen in de kamer met opwaartse stroming aan te brengen. Een dergelijke uitvoe- ringsvorm is weergegeven in de Figuren 7 en 8, waar ook nu weer de met elkaar overeenkomende delen dezelfde nummering dragen. De fluidisatieka- mer bevat een centrale buis 52, die een tussenwand vormt en op zichzelf een kamer met neerwaartse stroming is.
Deze buis loopt slechts gedeelte- lijk tot aan het boveneinde van het in diameter gelijke deel van het flu#disatievat, zodat het warmte-overdrachtsmateriaal uit het zich tot het niveau 38 uitstrekkende bed daarin kan stromen. Een verdeler of sproeier 53 is nabij het uiteinde van de buis 52 gelegen voor toevoer van gas, bijvoorbeeld stoom of lucht, ter regeling van de circulatiesnel- heid van het warmte-overdrachtsmateriaal, en de gassnelheid wordt door klep 54 geregeld. De buis eindigt boven de pijpplaat 12 en een conisch keerschot 55 is hierop onder de buis aangebracht, waardoor het vaste warm- te-overdrachtsmateriaal in alle richtingen in de onderkant van de de buis omringende kamer met stroming in opwaartse richting wordt verdeeld.
De inrichting volgens de Fig. 7 en 8 werkt als volgt :
Wanneer de klep 54 zo ver is geopend, dat er niet veel van het warmte-overdrachtsmateriaal door de kamer met neerwaartse stroming binnen buis 52 kan neerdalen, werkt de inrichting op dezelfde wijze als de aan de hand van Fig. 1 en 4 beschreven inrichting. Door de gasstroming via klep 54 te verkleinen, stroomt het vaste warmte- overdrachtsmateriaal door de kamer met stroming n neerwaartse richting naar beneden en wordt door de keerplaat 55 zodanig omgebogen, dat het onder in het fluide bed in de ringvormige kamer terechtkomt.Hierdoor ontstaat circulatie en wordt een temperatuurgradiënt veroorzaakt in het fluïde bed, dat met de buizen 11 in contact staat.
<Desc / Clms Page number 1>
METHOD AND DEVICE FOR COOLING A HEAT CONDUCTING WALL.
The process relates to an improved method and apparatus for cooling heat-conducting walls of any shape, in particular of the heat-conducting walls of chemical reactors, in which heat is transferred from such walls to solid heat transfer material, which is fluidized condition and in contact with the wall. The invention finds special, although not exclusive, application for controlling the temperature of the reactants with which an exothermic reaction is carried out in a reactor advantageously arranged in the form of tubes through which the reaction mixture flows.
In many methods it is desirable to cool a heat-conducting wall in order to keep it at the desired temperature and to avoid local overcooling. A substantially uniform wall temperature of the reactor tubes in which an exothermic reaction is carried out is usually achieved by providing a cooling jacket around the tubes containing a boiling liquid and selecting the liquid and the pressure in the jacket such that the liquid boils at the required temperature. The degree to which the temperature must be below the desired wall temperature depends on the speed at which the heat transfer from the wall to the liquid in the jacket takes place. Sometimes this method does not work satisfactorily for one or more of the following reasons:
1.
The heat flow, i.e. the velocity at which the heat flows from the wall to the cooling medium, which depends on the conditions in the reactor, is sometimes too low in some cases to allow the cooling
<Desc / Clms Page number 2>
boiling liquid over the entire wall surface. As a result, it can occur that the cooling is limited to free convection of the liquid over the wall and that evaporation takes place at the surface of the liquid in contrast to boiling. Even if the liquid boils slightly below the surface, the amount of vapor present in the cooling jacket can sometimes become so small (for example, when the rate at which heat is released into the reactor decreases) that the surface of the cooling liquid becomes lower, so that certain parts of the reactor tubes are no longer under the liquid.
2. The static pressure in the cooling jacket is too high, especially when long vertical pipes are used. This has the consequence that the boiling temperature of the coolant changes considerably over height. Since the static pressure depends on the amount of vapor present in the liquid, this change in boiling temperature is variable and is amplified by low heat flow, as mentioned in the previous paragraph.
3. The desired temperature may require the use of expensive or difficult to handle liquids or inefficient pressures.
The object of the invention is to provide an improved method and device for cooling heat-conducting walls, whereby the above-mentioned difficulties are avoided. In particular, the invention contemplates cooling such walls under the following conditions: 1. Uniform temperature of the coolant in the jacket, resulting in a more uniform temperature of the wall of the reactor.
2. A high speed at which heat transfer takes place between refrigerant and the wall, allowing the former to be maintained at a temperature closer to the desired temperature of the latter, with the result that more uniform wall temperatures can be achieved despite the low heat flow due to internal resistance or low chemical reaction rates.
3. Means of controlling the temperature, either periodically manually or automatically and continuously without changing the pressure in the jacket.
4. The ability to use cheap liquids, for example water, at low pressures, such as atmospheric pressure or low overpressure.
5. Eliminate the possibility of vapor layer formation due to gas pockets forming on the heat-conducting wall.
6. Lower cost of maintaining the heat transfer material in a fluidized state.
7. Dividing the cooling jacket into separate chambers with upward and downward flow and means for controlling the circulation rate of the heat transfer material through these chambers, allowing maintenance and control of a vertical temperature gradient, as desired for certain chemical reactions. could be.
8. Efficient use of waste heat by arranging the device such that steam or other gas generated in the cooling jacket is at any desired pressure and significantly superheated to drive power plants or to generate steam. or preheating the reactants to be treated in heat exchangers.
9. High thermal inertia, whereby the effects of fluctuations in the reaction temperature or in the coolant feed rate are quickly compensated.
According to the invention, a fluid bed is made up of solid
<Desc / Clms Page number 3>
heat transfer material, kept in contact with the heat-conducting wall to be cooled and a liquid is supplied at the bottom of the fluid bed, which fluid has a vapor pressure at the lowest wall temperature, which is the voltage prevailing at the point of fluid supply. exceeds, preferably by 20% to many times the voltage, as a result of which the liquid evaporates and the resulting gases flow upwardly through the bed and cool the heat transfer agent.
The upwardly flowing gas constitutes all or part of the fluidization gas, which serves to maintain the bed in a fluidized state, ie an auxiliary fluidization gas may optionally be added depending on the particular operating conditions, such as the heat flow and the overall volumetric flow. amount of fluidizing gas required, the dimensions of the heat transfer material, as well as the shape and size of the device, etc.
The temperature of the fluid bed is controlled by controlling the feed rate of the liquid. The temperature in the different parts of the fluid bed can be optionally controlled so that it is substantially the same everywhere or follows a vertical temperature gradient;
the former is the case when the cooling jacket of the reactor, which will hereinafter be referred to as fluidization vessel, does not contain partitions which keep the ascending and descending particles separated, although baffles, grids and the like may be provided, while the latter occurs when a tissue baffle, for example a long tube, is provided, dividing the flutation vessel into upward and downward flow chambers, and there is means for regular circulation of the solid heat transfer material.
By now passing a liquid into the heat transfer material-containing bed and evaporating the liquid in the bed, it becomes possible to control the temperature of the bed by simply varying the rate at which the liquid is supplied, since the cooling largely due to the heat of evaporation of the liquid. Of course, the initial temperature of the liquid has some influence, but it is of secondary importance. A particular advantage of this method is that the temperature of the solid heat transfer material in the fluidizing vessel can be varied as desired without causing a corresponding pressure change in the vessel, as is required when a liquid is vaporized in the cooling jacket under equilibrium conditions.
This considerably simplifies the control of the cooling process and furthermore it is possible to select a pressure such that the gas generated by the evaporation of the liquid, which is later discharged from the top of the bed, can be further used efficiently for other purposes, for example as steam, which can rage to any degree overheated.
An important advantage over the use of an ordinary fluid bed, with which cooling is effected and in which all the fluidization gas is introduced into the bed as gas, lies in a more economical operation of the device. Much of the energy used in conventional fluidized heat transfer material maintenance is consumed as compression work. By introducing liquid into the bed, only a low energy cost is required for pumping the liquid, since all or a large part of the gas formed by the evaporation of the liquid constitutes the total amount of fluid gas required.
A filled bed always has a high heat transfer coefficient, for example about 125-500 kg cal. per m2 per C per hour, and the solid particles come into effective contact with all parts of the surface of the heat-conducting wall. This often makes it possible to work with a temperature difference between the wall and the fluidized solid heat transfer material that is smaller than in the process in which a liquid boils in a cooling jacket, thereby reducing the risk of local overcooling; moreover, that particular is avoided
<Desc / Clms Page number 4>
places on the surface of the heat-conducting wall are not cooled effectively, as with ordinary cooling jackets when gas pockets are on the wall.
Experience has shown that the erosion of the reactor tube walls need not be severe.
The solids used as heat transfer material usually consist of small sand particles and it is advantageous if there are no particles in the bed, the diameter of which differs greatly from the mean diameter of the particles. Preferably, sand is used, although solids, for example metal oxides of the catalyst type, are also eligible.
By avoiding the use of extremely fine particles as a heat transfer material, the heat transfer material can be more easily recovered from the exhaust gas, while on the other hand, very large particles require very high upward gas velocities to maintain the fluidized state. In order to limit the invention to this, it is preferable to use sand, the diameter of the particles of which is between approximately 0.12 and 2.5 mm. For example, a typical sand type can consist of particles,. 95% of which has a diameter that lies above 0.18 mm and below 2.5 mm.
A "fluid bed" is formed by a mass consisting of solid particles in a gas that cannot settle, exhibits pseudo-liquid mobility, hydrostatic pressure and a clearly discernible free boundary surface. A "turbulent fluid bed" is a fluid bed in which the mobility of the mass is such that mixing takes place. Such beds are known as "dense fluid beds" and "dense, turbulent fluid beds", respectively. A "dispersed suspension" is a mesh of particles suspended in a gas stream flowing upwardly past the particles, and differs from a fluid bed in that no interface is formed.
For further details on the nature of these beds and the definitions of the terms used, see "Fluidization Nomenclature and Symbols", Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 41, pp. 1249-1250, July 1949.
In the following, "gas will also be understood to mean substances, which are often referred to as" vapor ".
The invention will be further elucidated with reference to the accompanying drawings, which illustrate some preferred embodiments of the device according to the method and in which:
FIG. 1 is a vertical cross-section of a reactor constructed according to the invention;
FIG. 2 is a cross-section on the line 2-2 of FIG. 1;
FIG. 3 is a vertical cross-section of a modified embodiment of the reactor;
FIG. 4 is a cross-section on the line 4-4 of FIG. 3;
FIG. 5 is a vertical cross-sectional view of another modified embodiment of a reactor with separate upward and downward flow chambers;
FIG. 6 is a cross-section on the line 6-6 of FIG. 5;
FIG. 7 is a vertical cross-sectional view of yet another modified embodiment of the reactor with separate chambers for upward and downward flow and
FIG. 8 is a cross-section on the line 8-8 of FIG. 7.
In fig. 1 and 2, reference 10 denotes a vertical jacket which forms a fluidization vessel or chamber, partially delimited by the vertical reaction tubes 11, which lie in the jacket, and whose heat-conducting walls are to be cooled. These tubes together form the
<Desc / Clms Page number 5>
reactor and the ends of these tubes may be closed by tube plates 12 and 13 connected to the jacket. The lower plate 12 is secured between the flanged lower end of the jacket and the domed bottom 14 in which a conduit 15 is disposed, and the top plate 13 may optionally be connected to the domed top end 16 of the shell by an expansion joint, for example through the corrugated bellows-like portion 17, while the domed top end may be provided with a conduit 18.
The flow of starting material, for example reactants, which are subjected to an exothermic reaction, is passed upwards or downwards through the tubes 11 by means of the tubes
15 and 18. The jacket has a widened portion 19 at the top, which is connected to the bottom portion by a frusto-conical portion 20 and in which a number of cyclones 21 are arranged for separating gases and solids and which are provided with tangential inlet openings 22, gas outlet openings 23 and submersible pipes 24 for returning the solid material to the fluid bed in the manner described below.
The gas outlet openings 23 may be connected to any suitable manifold 25 for further use of the spent gas. An opening
26, which is normally closed by a cover 27, may be provided for the supply, replenishment and discharge of sand used as heat transfer material.
The lower portion of the fluidization vessel is provided with a manifold 28, for example a grid of interconnected pipes with openings, into which liquid, for example water, can be supplied by means of a pump 29 at a speed controlled by control valve 30. The valve 30 is controlled so that a greater amount of liquid is admitted as the temperature in the reaction tubes rises. In a desirable, albeit optional, embodiment, the valve is operated automatically.
To this end, a temperature sensitive element 31 is disposed at a suitable point in one or more of the tubes (preferably at the outlet end) and a valve controlling element 32, for example a temperature controller, is disposed between the element 31 and the valve 30 to control the latter in accordance with the temperature variations occurring in the reaction tube.
Means may also be provided for supplying an auxiliary fluidization gas to the fluidization vessel when needed, for example during the commissioning of the apparatus when the solid particles have not yet been heated enough to evaporate the liquid and / or when the heat flow is too slow. These means for supplying the gas may be arranged in addition to or in combination with the means for supplying the liquid described above. Only the last embodiment is shown in the drawing. Steam or another gas, for example air under suitable pressure, is now fed from a supply pipe 33 through a control valve 34 into the manifold 28.
The valve 34 can be controlled automatically, if desired by providing a differential pressure regulator 35 for the valve control and connecting this regulator to the pressure sensitive elements 36 and 37, which are located at different heights in the fluidization vessel, such that at least one of these is below the level of the fluid bed.
When the fluid bed in the fluidization vessel is at the desired level 38, the pressure difference between the elements 36 and 37 is sufficient to admit less or no steam at all; as the level of the bed falls, this pressure differential decreases and regulator 35 will gradually open valve 34 to allow more fluidizing gas to pass through and return the bed to its old state.
During operation, the reactants are supplied through line 18 and discharged through line 15 (or vice versa) and flow through reaction tubes 11 to form the reaction vessel.
Since the fluidization vessel already has a heat transfer rate in advance
<Desc / Clms Page number 6>
filled, for example with sand, steam may first be admitted from the line 33 through the valve 34 and the manifold 28 to bring the solid heat transfer material into a fluidized state. Steam is vented from the top of the bed and passed through the enlarged top portion at a reduced speed. The steam is then passed through the cyclones 21 where it is cleared of entrained solid material and from where it is passed into line 25.
When the tubes 11 are heated by the reactants contained therein until the temperature controller 32 is activated, water is supplied by the pump 29 through the valve 30 and the manifold 28. The solid particles of the fluid bed in contact with the tubes are heated and the water is brought into direct contact with the heated solid material. As a result, the water evaporates to steam, which rises through the fluidization vessel as fluidizing gas.
This increases the flow of the fluxing gas and increases the pressure difference between the pressure sensitive elements 36 and 37, causing the differential pressure regulator 35 to shut off or reduce the steam supply. The water cools the solid heat transfer material, which in turn absorbs heat from the pipe walls. The temperature of the fluid bed is substantially the same at all points except in the immediate vicinity of the manifold 28, where a slightly lower temperature prevails. There is good heat exchange between the bed and all parts of the surface of the pipes below level 38.
During commissioning, the valve 39 in the discharge line 25 can be kept open for the discharge of plugs and the fluidization vessel can operate at low pressure or near atmospheric pressure, thus reducing the cost of the compression work for the steam admitted from line 33. can be reduced. After the device is in operation, this valve can be closed and valve 40 opened so that the steam can be directed to a suitable power or heat installation, for example a turbine or heat exchanger, which can operate at any desired pressure. .
However, the pressure in the fluidization vessel should not be so high that condensation of the fluid in the fluid bed occurs; it is preferred to keep the pressure so low that the vapor pressure of the water or other liquid for the lowest temperature of the tubes 11 is at least 20% greater than the pressure of the bed at the manifold 28.
Usually the void space at the flu # de bed is 0.30-0.80. This suspension should be distinguished from a fixed bed or a stationary fluid bed, in which little or no mixing of the particles takes place and in which the heat transfer coefficients with respect to the heat-conducting wall are lower. In order to achieve high heat transfer coefficients, it is desirable to maintain the particles in such turbulence or mobility that the Reynolds number is at least 2 and preferably more than 5.
The Reynols number is a dimensionless number, determined by the formula: Du #, where D is the diameter of a particle, 31 the speed of the particle relative to the rising fluid gas, # the density of the gas and the viscosity of the gas in related units.
For example, the reactor can be used for the preparation of ethylene oxide, where the external wall temperature of the tubes 11 can be about 500 ° F and the outlet temperature of the pipe can be about 490 ° F. The pressure at the top of the fluidization vessel can be equal to the atmospheric pressure at which high superheated steam is formed, or it can be equal to any desired overpressure, but should not exceed about 38.5 bar. so that the pressure at the manifold will be no more than 39.8 atm with a fluid bed that is 10 1/2 m high and where the pressure drop is about 1.3 kg / cm 2.
In Figs. 3 and 4, showing the corresponding parts
<Desc / Clms Page number 7>
Carrying the same numbering, and representing other embodiments, the upper widened portion 19 of the shell 10 is slightly smaller and the cyclone 21 is located outside the shell. Flu # gas is vented above bed level 38, passed through the cyclone, and vented through outlet 23 for further use elsewhere. The solid material separated by the cyclone is directed to the lower portion of the fluidization vessel via return line 24.
The liquid and fluidizing gas are supplied through different inlet openings in this embodiment; the liquid flows from pump 29 through valve 30 and conduit 28. A separate divider 41 is provided at the bottom of the vessel for the distribution of steam or other fluid gas admitted through valve 42. A temperature-sensitive element 43 and a temperature controller 35 can be provided for automatic control of the valve 30. Element 43 differs from element 31 of the embodiment discussed above in that it measures the temperature of the top of the fluid bed.
The operation of the device shown in FIG. The embodiment shown 3 and 4 is analogous to that described above with the exception of the operation of valve 42, which is done manually here.
FIG. 5 and 6 illustrate the use of a partition for the separate upward and downward flow of the heat transfer material. The embodiment is analogous to that described for Figs. 3 and 4, and here again the corresponding parts are indicated with the same numbering. The fluidization vessel has a central tube 45 which forms an intermediate dividing the vessel into a central chamber with upward flow and an annular chamber with downward flow. The tube 45 ends at some distance from the top of the vessel, so that these chambers freely communicate with each other at the top.
A number of openings 46 are provided at the bottom, so that these chambers also communicate with each other at the bottom. The liquid distributor 28 and the gas distributor 41 lie in the annular down-flow chamber. Distributors 47 and 48 for the liquid and gas respectively (which may be designed as simple nozzles) are located at the bottom of the upward flow chamber and at least one of them, preferably the gas distributor, is located below the openings 46. These distributors are provided. of the control valves 49 and 50 and can be connected to the same supply, for instance of water and steam, as the valves 30 and 42, respectively.
The valve 30 is operated by a temperature controller, which is connected to a temperature sensitive element 51 located in the outlet line 15 for measuring the temperature of the reactants, although this element may optionally be located in one of the tubes or in the fluid. #display chamber as shown for elements 31 and 43 respectively of Figures 1 and 3.
The operation of this embodiment differs from the embodiments described above in that the heat transfer material rises through the upward flow chamber within the tube 45 as a dispersed suspension in fluidizing gas, admitted through the distributor 48 and / or formed by evaporation of liquid supplied. Through the distributor 47. Generally, in this embodiment, it will be desirable to admit some gas through the distributor 48 under all or most of the operating conditions in order to control the circulation rate of the preferred heat transfer material in the manner described below.
The minimum upward velocity of the fluidizing gas in the upward flow chamber is the ultimate fall velocity for a single particle of the heat transfer material; this speed is mainly determined by the particle size, the particle density and the gas density. In general, the gas velocity is advantageously slightly more than this minimum and usually velocities of at least 4.8 m / sec. wor-
<Desc / Clms Page number 8>
and the horizontal dimensions of the tube 45 are chosen such that such a velocity can be achieved with a relatively small amount of gas;
in most cases it is desirable to achieve higher velocities, e.g., preferably ranging from about 7.8 to 12 m / sec, if the particles, e.g., sand particles, have a diameter ranging from 0.12-1.2 mm, and still higher speeds, for example 30 m / sec., can be used, especially when the particles of the solid heat transfer material have a larger diameter.
The use of higher velocities avoids pulsations and irregular movements of the solid material in this chamber, for example, it is usually advantageous if the gas velocity is greater than 1.1 times the final fall velocity at a weight ratio of solid heat transfer material to gas in the chamber. ascending suspension of 10 and greater than 1.6 times the final fall speed at a weight ratio of 60, etc. in a linear ratio.
However, too great a pressure drop is avoided by not operating too far above this minimum, for example, not above 4.0 times the final fall speed. In the dispersed suspension, the formation of which is described above, the void space is usually much more than 0. , 85, for example 0.88 to 0.99 depending on the weight ratio of solid heat transfer material to gas.
The suspension flows from the top of the tube into the widened portion 19, in which most of the particles settle down into the annular down-flow chamber. The gas, along with the fluidization gas, which rises up in the down-flow chamber, flows through inlet 22 into cyclone 21 and is vented through outlet 23 for further use elsewhere, as previously described, maintaining the pressure in a similar manner. .
The particles descending through the down-flow chamber are maintained in a fluidized state by fluidizing gas supplied through the divider 41 and / or generated by evaporation of liquid supplied through the divider 28, resulting in good performance. heat exchange between the tubes 11 and the solid particles is ensured. The temperature gradient in the downflow chamber can be controlled by controlling the circulation rate of the solid heat transfer material using the caps 49 and 50.
If both are closed, there is no circulation and the conditions in the buoyancy chamber are analogous to those described above for Figs. 1 and 2 have been described, i.e. the temperature within the bed is substantially uniform from a level slightly above the level at which liquid at 28 is supplied to the top level 38 of the fluid bed. By supplying more gas through the valve 50 and the distributor 48, the circulation rate of the solid material is increased, creating a temperature gradient in the down-flow chamber and allowing the cooling to be varied at various points along the length of the reaction tube 11 . The gradient gets steeper as the circulation rates increase.
The nature of this gradient in the fluid bed in contact with the tubes 11 will depend on the manner in which liquid is introduced into the evaporator. For example, when all of the liquid at the bottom of the chamber is fed downwardly through divider 28, the bottom of the bed will be at its coolest.
When all the liquid at the bottom of the chamber is supplied with upward flow through manifold 47, then the top part of the bed will be coolest (in this case, fluidizing gas must be supplied through manifold 41, while distributor 48 is not needed, provided the distributor is located below the openings 46. Liquid may also be supplied into both distributors 28 and 47 to make the intermediate portion of the fluid bed the hottest.
<Desc / Clms Page number 9>
Although a preferred embodiment is shown in which the upflow chamber is centrally located in the fluidization vessel, the invention is of course not limited thereto, but other embodiments are possible. Moreover, it is possible to implement the device in another embodiment by arranging the pipes in the chamber with upward flow. Such an embodiment is shown in Figures 7 and 8, where again the corresponding parts bear the same numbering. The fluidization chamber includes a central tube 52, which forms an intermediate wall and is itself a down-flow chamber.
This tube extends only partially to the top of the equal diameter portion of the fluidization vessel so that the heat transfer material can flow out of the bed extending to level 38 therein. A distributor or nozzle 53 is located near the end of the tube 52 for supply of gas, e.g., steam or air, to control the circulation rate of the heat transfer material, and the gas rate is controlled by valve 54. The tube terminates above the tube sheet 12 and a conical baffle 55 is disposed thereon below the tube, distributing the solid heat transfer material in all directions in the bottom of the chamber surrounding the tube with upward flow.
The device according to FIGS. 7 and 8 works as follows:
When the valve 54 is opened far enough that not much of the heat transfer material can descend through the downflow chamber within tube 52, the apparatus operates in the same manner as shown in FIG. 1 and 4 described device. By reducing the gas flow through valve 54, the solid heat transfer material flows through the chamber downwardly in flow n and is deflected by baffle 55 so that it enters the annular chamber at the bottom of the fluid bed. and a temperature gradient is caused in the fluid bed in contact with the tubes 11.