<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.