<Desc/Clms Page number 1>
De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het teweegbrengen van een snelle temperatuursverandering van een gas- vormig of in de gasvorm overgaand fluïdum.
Een dergelijke werkwijze is speciaal van toepassing bij het behan- delen van gassen bij hoge temperatuur, waarbij gedurende het opwarmen tot .deze temperatuur ongewenste reacties kunnen ontstaan. Ook kan deze werkwij- ze worden gebruikt bij het uitvoeren van bepaalde reacties bij hoge tempe- ratuur indien het gewenst is de reactie zeer snel te laten verlopen ten einde ongewenste nevenreacties te vermijden. Omgekeerd dient in sommige gevallen een reactieproduct zeer snel te worden afgekoeld, waardoor het gewenste evenwicht van de reactie wordt vastgevroren ten einde volgreacties te onderdrukken.
@
Onder snelle reacties of behandelingen worden verstaan reacties of behandelingen welke in minder dan 0,5 seconden verlopen of plaats vinden.
Zowel exotherme als endotherme reacties kunnen met de onderhavige werkwijze worden uitgevoerd ten .einde de temperatuur waarbij de reactie plaats vindt te beheersen.
Volgens de uitvinding wordt het te behandelen fluïdum door een scherm van vrij vallende vaste deeltjes met een deeltjesgrootte beneden
2 mm gevoerd, welk scherm wordt gevormd door uit te gaan van een geflui- diseerde massa en waarvan de temperatuur aanzienlijk afwijkt van die van het te behandelen fluïdum. Het is noodzakelijk, de uit vaste deeltjes be- staande massa te fluïdiseren, voordat deze het scherm vormt, aangezien an- ders geen regelmatige verdeling van de deeltjes over het gevormde scherm zal optreden. Tevens is hiermede de mogelijkheid geschapen, door wijziging van het niveau van de gefluïdiseerde massa, de hoeveelheid per tijdseenheid vrij vallende vaste deeltjes te beïnvloeden.
Deze wijze van in contact brengen van een fluïdum met korrel- of poedervormig materiaal heeft het voordeel, dat de fluïdum-stroom uit de stroom korrel- of poedervormig materiaal practisch geen deeltjes zal mee- sleuren, zodat een aparte inrichting waarin het korrel- of poedervormige materiaal van het fluïdum wordt gescheiden, dus veelal overbodig is.
In die gevallen waarbij het te behandelen fluïdum een snelle tem- peratuursstijging dient te ondergaan en onder de temperatuur en druk waar- onder het wordt toegevoerd niet in gasvorm kan bestaan, wordt het fluïdum in de vloeistofphase met het scherm in contact gebracht en wordt daarin geheel verdampt.
De werkwijze volgens de uitvinding kan worden toegepast voor het kraken van koolwaterstoffen door deze in contact te brengen met een scherm bestaande uit vrij vallende vaste deeltjes, waarvan de temperatuur zo is gekozen, dat in het scherm kraken van de koolwaterstoffen optreedt.
Ook kan de werkwijze volgens de uitvinding worden gebruikt voor het laten reageren van een mengsel van twee of meer reactie-componenten door dit mengsel in contact te brengen met een scherm van de bovengenoemde soort, waarvan de temperatuur zodanig is gekozen, dat de gewenste reactie tussen de componenten optreedt.
De keuze van het materiaal waaruit de vrij vallende vaste deeltjes bestaan, wordt bepaald door het gewenste effect. In het geval, dat alleen maar een snelle temperatuurswisseling wordt beoogd, dient het materiaal van de vaste deeltjes inert te zijn ten opzichte van het te behandelen fluïdum. Wordt er in het scherm gekraakt, dan kan het materiaal inert zijn voor het geval dat thermisch wordt gekraakt, dan wel katalytisch voor het
<Desc/Clms Page number 2>
geval dat katalytisch wordt gekraakt.
De uitvinding beoogt verder een werkwijze waarbij meer dan één fluïdum door een scherm van de bovengenoemde soort wordt gevoerd, waarna de aldus gevormde hete fluïda reageren.
Verder is het volgens de uitvinding ook mogelijk een fluïdum eerst door een scherm te voeren, waardoor dit fluïdum een snelle temperatuurs- stijging ondervindt, ten gevolge waarvan een reactie plaats vindt, waarna de gevormde reactieproducten door een volgend scherm worden geleid, waarin een snelle afkoeling van de producten plaats vindt.
Een inrichting voor het teweegbrengen van een snelle temperatuurs- verandering van één of meer fluïda bestaat volgens de uitvinding uit een vat met een spleetvormig mondstuk aan de bovenzijde, welk mondstuk is voor- zien van een toevoerinrichting voor gefluidiseerde vaste deeltjes, zodanig, dat het door de uit het mondstuk vrij vallende gefluïdiseerde vaste deeltjes gevormde scherm het genoemde vat in twee ruimten verdeelt, een opvangin- richting voor de vrij vallende vaste deeltjes op enige afstand onder het mondstuk, alsmede een toevoer voor het te behandelen fluïdum, uitmondend in één der ruimten grenzende aan het scherm, en een afvoer voor eindproduct- (en) aansluitende op de andere aan het scherm grenzende ruimte.
Van groot belang is de wijze waarop de vrij vallende vaste deel- jes in de bovengenoemde opvanginrichting worden opgevangen. Het beste resul- taat wordt verkregen indien in dit opvangreservoir een gefluïdiseerd bed wordt onderhouden, op welk bed de onderzijde van het scherm aansluit.
In dit geval blijft de onderzijde van het scherm geheel intact.
Ter verduidelijking van de uitvinding worden hierna, onder ver- wijzing naar de tekening, enige uitvoeringsvoorbeelden van inrichtingen volgens de uitvinding beschreven-.
De Figuren 1 en 2 geven respectievelijk een schematische langs- doorsnede en dwarsdoorsnede van een inrichting werkende met een vlak scherm.
De figuren 3 en 4 geven respectievelijk een schematische langsdoor- snede en dwarsdoorsnede van een inrichting werkende met een cylindrisch scherm.
De figuren 5 en 6 geven respectievelijk een schematische langsdoor- snede en dwarsdoorsnede van. een inrichting werkende met twee vlakke scher- men, waarvan het éne koud, het andere heet is.
De figuren 7 en 8 geven respectievelijk een schematische langsdoort- snede en dwarsdoorsnede van een inrichting werkende met twee cylindrische schermen, waarvan het éne koud, het andere heet is. '
Een schematische langsdoorsnede, respectievelijk dwarsdoorsnede, van een inrichting werkende met twee hete schermen is weergegeven voor vlakke schermen in de figuren 9 en 10, en voor cylindrische schermen in de figuren 11 en 12.
Figuur 13 toont een inrichting werkende volgens het principe als weergegeven in figuur 3.
Figuur 14 geeft een gewijzigde uitvoering van Figuur 13 en figuur 15 toont een installatie welke twee in kringloop geschakelde inrichtingen volgens de uitvinding omvat.
Het scherm 1 in de inrichting volgens de figuren 1 en 2 bestaat uit vrij vallende vaste deeltjes, waarvan de grootte beneden 2 mm ligt.
<Desc/Clms Page number 3>
Dit scherm wordt gevormd door het spleetvormige mondstuk 2, dat aan de bo- venzijde van het vat 3 is aangebracht. De vaste deeltjes worden via een pijp
4 aan de toevoerinrichting 5 van het mondstuk 2 toegevoerd , in het vat 5 in vloeiende toestand gebracht door toevoer van fluïdisatiegas via de lei- ding 9, passeren daarna het mondstuk 2, vormen vervolgens het scherm 1 en worden uiteindelijk verzameld in het opvang-reservoir 6 voorzien van de fluïdisatie-gasleiding 8, welk reservoir in deze schematische uitvoering één geheel met het onderste deel van het vat 3 vormt. De afvoer van de ge- fluïdiseerde vaste deeltjes uit het opvangreservoir 6 vindt plaats via de pijp 7.
Door wijziging van het niveau van het in het reservoir 5 gevormde gefluïdiseerde bed kan de uitstroomsnelheid van de deeltjes uit het mond- stuk 2, en dus de hoeveelheid per tijdseenheid vrij vallende vaste deeltjes, worden geregeld.
Gasvormig fluïdum, dat een snelle temperatuursverandering dient te ondergaan, wordt aangevoerd via één of meer leidingen 10,11 en 12 aan één der zijden van het scherm 1. Ook kan een (niet getekende) verdeler voor het gas worden toegepast, welke zich over de gehele breedte van het scherm uitstrekt. Het gas wordt na het passeren van het scherm aan de andere zijde daarvan door de leiding 14 afgevoerd.
Bestaat het scherm uit vaste deeltjes welke een temperatuur bezit- ten die aanzienlijk lager is dan de temperatuur van het te behandelen gas, dan zal het gas bij het passeren van het scherm zeer snel worden gekoeld.
Wanneer daarentegen de temperatuur van de vaste deeltjes welke het scherm vormen aanzienlijk hoger is dan de temperatuur van het door de leidin- gen 10, 11 en 12 aangevoerde fluïdum, dan zal dit fluïdum bij het passeren van het scherm zeer snel worden verhit. Hiervan kan bijvoorbeeld gebruik worden gemaakt bij het kraken van koolwaterstoffen. Deze worden dan, hetzij gasvormig, hetzij in vloeistofphase, door de leidingen 10, 11 en 12 aange- voerd, met het scherm in contact gebracht, er doorheen gevoerd en tegelij- kertijd grotendeels omgezet in lagere koolwaterstoffen, welke aan de andere zijde van het scherm via de leiding 13 uit het vat 3 worden afgevoerd. Deze leiding kan van een toevoer 14 zijn voorzien, waart doorheen een afschrikme- dium voor het vastvriezen van het evenwicht wordt toegevoerd.
De inrichting volgens de figuren 1 en 2 kan ook worden gebruikt voor het uitvoeren van reacties tussen twee of meer gassen, welke snel op de gewenste reactietemperatuur dienen te worden gebracht. De gassen worden dan gescheiden toegevoerd via de leidingen 10,11 en 12, snel verhit in het scherm 1, en reageren daarna in de stroomafwaarts ten opzichte van het scherm 1 gelegen ruimte, waarna het reactieproduct door de leiding 13 wordt afge- voerd.
Indien de gassen in gemengde toestand via de leidingen 10,11 en 12 aan het scherm 1 worden toegevoerd, zal de reactie grotendeels binnen het scherm plaats vinden.
Het spreekt vanzelf, dat in de bovengenoemde gevallen in plaats van gasvormig fluïdum ook de vloeistofphase van een fluïdum aan het scherm kan worden toegevoerd.
In fig. 3 is een inrichting volgens de uitvinding getekend, waarin het mondstuk uit een spleet 15 bestaat, welke een gesloten figuur vormt.
De zich in de toevoerinrichting 5 bevindende gefluïdiseerde vaste deeltjes stromen via de spleet 15 in de vorm van een oylindrisch scherm 16 in het vat 3.
<Desc/Clms Page number 4>
Voor de dwarsdoorsnede van het scherm kan iedere willekeurige ge- sloten figuur worden gekozen. Bij voorkeur zal als dwarsdoorsnede een cir- kel worden gekozen (zie figuur 4), daar in dit geval bij centrale invoer van het fluïdum via het mondstuk 17 een gelijkmatige verdeling van het fluïdum over het inwendige van het scherm zal plaats vinden. Wordt het te behandelen fluïdum in gasvorm aangevoerd, dan kan het mondstuk 17 door een gasverdeelmondstuk worden gevormd, terwijl bij de toevoer van vloeistof een verstuiver, bijvoorbeeld een wervelkamerverstuiver, als mondstuk wordt gekozen.
Ook bij deze inrichting kunnen, op dezelfde wijze als beschreven in verband met de figuren 1 en 2, meerdere gassen en/of vloeistoffen, ge- scheiden dan wel gemengd, aan het- scherm worden toegevoerd. In het eerste geval wordt dan het mondstuk 17 met toevoerleiding meervoudig uitgevoerd.
Eventueel kan bij de inrichtingen volgens de figuren 1-4 nog een toevoer van gas plaats vinden in de stroomafwaarts ten opzichte van het scherm gelegen ruimte, ten einde dit gas te laten reageren met de door het scherm uittredende gassen.
Het afschrikken van het gevormde reactieproduct, dat in de inrich- ting volgens de figuren 1 en 3 met behulp van een vloeistof in de afvoer- leiding 13 geschiedt -(deze vloeistof wordt aangevoerd door de leiding 14), kan echter ook op andere wijze plaats vinden, en wel door het gevormde reactieproduct via een scherm te leiden, waarvan de-temperatuur aanzienlijk lager is dan de temperatuur van het reactieproduct. Een snelle afkoeling van dit product vindt dan plaats en het evenwicht van de reactie wordt op deze wijze vastgevroren.
Daartoe wordt de inrichting volgens figuur 1 van een tweede scherm 18, bestaande uit vrij vallende,relatief koude deeltjes, voorzien (zie de ¯figuren 5 en 6). Dit scherm 18 bevindt zich op korte afstand van het rela- tief hete scherm 1. Een aparte voedingsleiding 19 voor de relatief koude vaste deeltjes mondt uit op een voedingsreservoir 20 met fluidisatieleiding 21 en mondstuk 22, terwijl de deeltjes aan het benedeneinde van het scherm 18 worden verzameld in een opvangreservoir 23, voorzien van fluïdisatielei- ding 24 en afvoerleiding 25.
De bij de beschrijving van de figurenl en 2 genoemde reacties, welke een snelle afkoeling van het eindproduct vereisen, kunnen met de in- richting volgens de figuren 5 en 6 worden uitgevoerd.
Soortgelijke reacties kunnen ook worden uitgevoerd in inrichtingen van het type zoals getekend in de figuren 7 en 8. De relatief hete en koude schermen, respectievelijk 16 en 53, zijn hier gevormd als twee concentri- sche cirkelcylinders. De vloeistof of het gas wordt aan de binnenzijde van het binnenste scherm 16 toegevoerd door het mondstuk 17, passeert dat scherm en wordt snel op hoge temperatuur gebracht, waarna het reactieproduct in het tweede, buitenste scherm 53 snel wordt gekoeld.
In de figuren 9 en 10 is een langsdoorsnede, respectievelijk een dwarsdoorsnede aangegeven aan een inrichting waarin twee vallende schermen 1 en 1' worden gecreëerd, welke schermen beide relatief heet zijn. Deze in- richting is geschikt voor het laten reageren van gasvormige fluïda welke afzonderlijk snel op de vereiste reactietemperatuur dienen te worden ge- bracht. Daartoe wordt één der fluida aan de linkerzijde van het scherm 1 toegevoerd via de leidingen 10, 11 en 12 en wordt het tweede fluïdum via de leidingen 26, 27 en 28 aan de rechterzijde van het scherm 1' toegevoerd.
Na het passeren van de schermen reageren de gasvormige fluïda in de door beide schermen begrensde ruimte van het vat 3, waarna afvoer van het reac-
<Desc/Clms Page number 5>
tieproduct door de leiding 29 plaats vindt.Eventueel kan het reactieproduct nog door een relatief koud scherm worden gevoerd.
De in de figuren 11 en 12 getoonde inrichting is voorzien van twee relatief hete schermen 16 en 16' in de vorm van concentrische cirkel-cylin- ders. Een der flulda wordt vanaf de binnenzijde van het scherm 16 met de vrij vallende vaste deeltjes in contact gebracht en reageert in de ruimte begrensd door de schermen 16 en 16' in gasvormige toestand met het fluïdum dat via de leidingen 26, 27, 28 en 30 aan de buitenzijde van het scherm 16' is toe- gevoerd alvorens dit scherm te passeren. Afvoer van het reactieproduct vindt plaats via één of meer leidingen 29.
In figuur 13 is een inrichting getekend, welke werkt volgens het bij figuur 3 besproken principe. Het relatief hete scherm 16 bestaat uit vrij vallende vaste deeltjes, welke via het mondstuk 15, dat uit een geslo- ten figuur bestaat, worden aangevoerd. Bij voorkeur zal het scherm 16 een cirkelvormige ring tot dwarsdoorsnede hebben. Het mondstuk 15 bevindt zich aan de bovenzijde van het vat 3, welke bovenzijde gedeeltelijk in de toe- voerinrichting 5 voor de de vaste deeltjes is ondergebracht. De in het vat
5 aanwezige vaste deeltjes worden in gefluidiseerde toestand gebracht door aanvoer van een fluïdisatie-medium door de leiding 9, waarvan de uitmonding onder het niveau van het mondstuk 15 is geplaatst, waardoor een regelmatige toevoer van vaste deeltjes aan dit mondstuk is gewaarborgd.
De deeltjes waaruit het scherm 16 bestaat, worden aan de onderzijde van het scherm ver- zameld in een opvangreservoir 6, dat voorzien is van een leiding 8, waar- doorheen een fluïdisatie-medium wordt aangevoerd. Het te behandelen fluï- dum wordt, hetzij als vloeistof, hetzij in gasvorm, met de binnenzijde van het scherm 16 in contact gebracht via het mondstuk 17, passeert dat scherm en wordt snel op de vereiste temperatuur gebracht, waarna het eindproduct via de leiding 13 wordt afgevoerd. Ten einde meeslepen van vaste deeltjes door de gasstroom 31 te voorkomen, is het scherm 16 aan de buitenzijde over bijna de gehele hoogte door een wand 32 afgedekt. In de beschreven uitvoering wordt een deel van deze wand door de wand van het vat 3 gevormd.
Bij het ombuigen van de gasstroming aan het ondereinde van de wand 32 zul- len de meegevoerde vaste deeltjes grotendeels worden afgescheiden. Deze werking kan nog worden vergroot door het aanbrengen van een schot 33, dat zich gedeeltelijk in het gefluïdiseerde bed van het opvangreservoir 6 be- vindt, en naar boven toe met enige ruimte de wand 32 gedeeltelijk omgeeft.
Een alternatieve constructie van de wand 32 is aangegeven in figuur 14.
Hier is de wand 32' voorzien van jaloeziespleten, welke zo zijn gericht, dat het gas bij het passeren van de spleten tegen de jaloezieën opbotst, waardoor eventueel meegevoerde vaste deeltjes grotendeels worden afgeschei- den.
De allerfijnste vaste deeltjes welke zich niet op één der bovenge- noemde manieren laten afscheiden, worden in de cycloon 35 (zie figuur 13) gevangen. Deze cycloon is met de tangentiale invoer aangesloten op de af- voerleiding 13. Het behandelde gas wordt afgevoerd door de overloop 36 van de cycloon, terwijl de afgescheiden deeltjes vanuit de aftap van de cycloon via het overloopvat 37 naar het vat 38 worden gevoerd, in welk vat ook de vaste deeltjes uit het opvangreservoir 6 terechtkomen. Vanuit het vat 38 voert een leiding 39 naar een (niet getekende) verhitter voor de vaste deel- tjes, eventueel een regenerator indien er in het scherm 16 gekraakt is, als- mede een (niet getekende) opvoerinrichting voor het verplaatsen van de vaste deeltjes van het niveau van de afvoer 39 tot het niveau van de invoer 4 van de toevoerinrichting 5.
Dit deel van de cyclus, namelijk verhitten, regenere- ren en omhoog voeren van de vaste deeltjes, kan met bekende apparatuur plaats vinden.
<Desc/Clms Page number 6>
Het is echter ook mogelijk, het verhitten en regenereren van de vaste deeltjes te laten plaats vinden in een inrichting volgens de uit- vinding.
Een voorbeeld van een dergelijke uitvoering wordt nu besproken aan de hand van figuur 15. De inrichting bestaat hier uit twee delen A en Br- Deze beide delen komen constructief overeen met de inrichting zoals weergegeven in figuur 3; deel A dient voor het snel verhitten van een fluïdum, zoals besproken in verband met figuur 3. Het deel B van de inrich- ting dient voor verhitting, eventueel regeneratie, van de vaste deeltjes welke vanuit het opvangreservoir 6 van inrichting A via de opvoerinrichting
40 en de cycloon 41 naar het toevoerreservoir 42 van het deel worden ge- voerd. Door de leiding 43 wordt fluïdisatiemedium aan de zich in het vat
42 bevindende vaste deeltjes toegevoerd, welke daarna in gefluïdiseerde toestand door het ringvormige mondstuk 44 naar beneden vallen en in het vat 45 een cylindrisch scherm 46 vormen.
Aan de door het scherm omsloten ruimte wordt brandstof toegevoerd via de leiding 47 en het mondstuk 48, alsmede verbrandingslucht via de lei- ding 49. De gevormde verbrandingsgassen passeren het scherm 46, waaraan zij snel hun warmte afgeven, en worden afgevoerd door de op het vat 45 aan- gesloten leiding 50. Bij het passeren van het gas door het scherm wordt de eventueel in de inrichting A op de vaste deeltjes gevormde cokes afgebrand, waardoor de temperatuur van het scherm nog zal toenemen.
De opvanginrichting 51 van de inrichting B voor de hete vaste - deeltjes-is voorzien van een toevoërleiding 52 voor fluidisatie-medium en vormt tegelijkertijd de toevoerinrichting voor het vormen van het scherm
16 in de inrichting A. Een deel van de zich in het scherm 16 bevindende warmte wordt overgedragen aan het aan het mondstuk 17 toegevoerde, te be- handelen fluïdum, waarna de vast,deeltjes via het opvangreservoir 6, lei- ding 7, opvoerinrichting 40 en cycloon 41 weer aan de toevoerinrichting
42 van het deel B worden toegevoerd.
Inrichtingen volgens de uitvinding kunnen worden gebruikt voor het kraken van lichte en zware koolwaterstoffen, wanneer men slechts een zeer korte opwarm- en reactietijd wenst te handhaven. De vaste deeltjes waaruit het scherm bestaat kunnen gevormd worden door fijn zand dan wel door een fijn verdeelde katalysatormassa waarvan de deeltjesgrootte be- neden 2 mm ligt. Als voorbeeld van deze reacties kan worden genoemd de omzetting van vaste paraffine houdende stoffen in aetheen of mengsels van olefinen bij een temperatuur van 700-800 C, in aanwezigheid van atoom en, in sommige gevallen, van zuurstof .
Andere processen welke in de inrichtingen volgens de uitvinding kunnen worden uitgevoerd zijn bijvoorbeeld de reactie waarbij methaan met stroom wordt omgezet in koolmonoxyde en waterstof; oxydaties, zoals de reactie waarbij methaan met zuurstof wordt omgezet in aethyn of aromaten; katalytische osydaties, zoals de oxydatie van ammoniak tot stikstof oxyden bij een temperatuur van 700-1000 C; dehydrogenaties, zoals de omzetting van alkanen in alkenen; chloreringen, zoals de reactie waarbij propeen met chloor bij ongeveer 500 C wordt omgezet in allylchloride; de pyrolytische aromatisering van alkanen met 2 tot 5 koolstofatomen per molecuul bij een temperatuur van 750-900 C;
de reactie tussen methaan, ammoniak en zuurstof, waarbij cyaanwaterstof en water worden gevormd en waarbij platina als kata- lysator kan worden toegepast, en de reactie waarbij methaan en stikstofoxy- de worden omgezet in cyaanwaterstof bij een temperatuur van ongeveer 1000 C.
<Desc/Clms Page number 7>
Bij een proefinstallatie, uitgevoerd op de wijze zoals in fig. 13 aangegeven, werd een warmteoverdracht van 3, 107 kcal. per m3 behandelings- ruimte per uur verkregen. In deze installatie werd per uur 10 ton zand van gemiddeld 200 door de spleet gevoerd. De temperatuur van het zand aan de boven- en onderzijde van het in de behandelingskamer gevormde scherm bedroeg respectievelijk 750 C en 700 C, terwijl de temperatuur van het te behandelen fluïdum bij het passeren van het scherm in 0,004 sec. van 100 C op 685 C werd gebracht. De verblijftijd van het fluïdum in de behandelings- ruimte, welke een inhoud van 3 liter bezat, bedroeg 0,03 sec.
Het zand- scherm had een ringvormige doorsnede met een inwendige diameter van 5 cm en een uitwendige diameter van 6,5 om en was 30 cm hoog.