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Emmagasinèrent de la chaleur dans les procédés chimiques.
La présente invention se rapporte à des appareils des- tinés à l'emmagasinèrent de chaleur dans les procédés chi- miques. Elle concerne plus particulièrement l'emploi d'un récipient contenant un lit de solides tassés possédant les caractéristiques nécessaires à l'emmagasinement de la cha- leur dans les procédés chimiques sujets à des conditions instables d'état, d'écoulement et de température. L'inven- tion concerne plus spécialement la mise en contact des gaz avec un appareil contenant des solides d'emmagainement de chaleur, et des dispositifs destinés à faire passer les gaz mis en contact sortant d'un tel appareil vers les appareils sensibles aux chocs thermiques.
Il est bien connu que des matières à haute capacité thermique peuvent être utilisées pour absorber des grandes
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quantités de c#=:,leur et de rejeter subséquesiment cette cha- leur sur une certaine période de temps. La vitesse à la- quelle la chaleur est absorbée et t r:: '3-r,é-a est difficile à ré- gler d'éutnnt plus que ces vitesses sont fonction de plu.- sieurs caractéristiques physiques varirbles, d'où il résul- te que la construction d'un tel ûpp r'reil est un problème difficile et complexe.
D.-n-- Uli." grande variété de procé- dés chimiques, des conditions d'état, d'écoulement et de température créerit de grandes variations dans lesconditions
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d'écoulement de la chaleur et dc ta.:J.p,r"i.,ur8 des courants entrant au contnct des diverses parties du S:'st0w.e du iW0- cédé. Etant donné que la construction de tels appareils
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est souvent basée sur des tensions thermiques lii:icées Ç1d- missibles, .,..:8 d6croisse.er-ts et des 4- subits de t3:;:pér:,:ture des [;;é.1.Z qui s'écoulent d!,1,.rl ou hors de talus app-irsils, peuvent créer des chocs theriues pouvant être la C&US2 de dß"ts à l'équipement.
Par suite de ce danger, des méthodes à contrôla des vi,ri:ltions de tc,.-..-P---r.,)ture dan les procédés cliniques sont nécessaires entr aîr: nt ainsi des dépenses accrues d'équipement.
Une caractéristique de la présente invention consiste
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dans la construction d'un appareil d'stiné à 1 er,v-.,ûgc:sine- ment de la chaleur dont la vitesse de transmission de la chaleur peut être réglée.
Une autre caractéristique de la présente invention ré- side dons le fait de prévoir une méthode peu coûteuse et efficace de réglage des variations de températuredans un procédé chimique sans nécessiter un équipement coûteux en- traînant un réglage complique et des frais d'entretien élevés.
Une caractéristique supplémentaire de 1'invention ré- side dans une méthode économique de protection des turbines
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à gaz contre les chocs thermiques par l'emploi d'un eppa- reil d'emmagasinement de la chaleur comme réglage de tem- pérature peu coûteux.
Une autre caractéristique de l'invention est encore de minimiser les fluctuations de température des gaz d'échap- pement sortant d'un récipient de combustion catalytique ou réacteur et s'écoulant vers une autre pièce de l'équipement sensible aux chocs thermiques.
Dans une forme d'exécution préférée d l'invention, l'appareil d'emmagasinèrent de 'chaleur comprend un récipient contenant un lit de solides tassés de préférence des splé- res en une matière métallique telle que du fer ou de l'acier, ces solides syant une capacité thermique située dans une gamme s'étendant d'environ 0,1 à 0,3 BTU/1b/ F, un diamè- tre maximum de moins qu'environ 10 pouces et disposés de manière à permettre aux gaz de s'écouler ou travers du ré- cipient dans une gamme d'environ 100 à 20.COO livres par heure par pied carré (1b/hr/ft2) de section transversale vide totale, le rapport entre le diamètre des sphères et le diamètre du récipient étant moins qu'environ 0,1.
Une autre forme préférée de l'invention comprend la combinaison d'une turbine à taz, de l'appareil d'emmagais- nement de chaleur décrit ci-dessus et d'un dispositif de conduites destiné à faire passer les gaz ayant été mis au contact du lit de sphères solides dans la turbine.
Une autre forme d'exécution préférée de l'invention comprend un récipient muni d'un dispositif d'entrée de gaz dans une zone d'oxydation catalytique,. une zone d'emmaga- sinement de chaleur comprenant le lit de sphères solides décrit ci-dessus. la zone d'emmagasinement de chaleur étant pourvue de dispositifs destinas à recevoir les gaz d'oxydation chauds de la zone d'oxydation catalytique, un dispositif destiné à supporter la zone d'oxydation ca-
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talytique, un dispositif d'échappement des gaz dans la zone d'emmagasinement de chaleur et un dispositif permet- tant l'entrée des gaz dans le.récipient en court-circui- tant la zone d'oxydation catalytique.
Une forme de réalisation supplémentaire préférée de l'invention comprend en combinaison une turbine à gaz, un récipient muni d'un dispositif d'entrée des gaz dans une zone d'oxydation catalytique, une zone d'emmagasinement de chaleur comprenant le lit de sphères solides décrit ci- dessus, la zone d'emmagasinement de chaleur possédant un dispositif destiné à recevoir les gaz chauds d'oxydation de la zone d'oxydation catalytique, un dispositif destiné à supporter la zone d'oxydation catalytique, un dispositif de sortie des gaz de la zone d'emmagasinement de chaleur, un dispositif permettant l'entrée des gaz au récipient et destiné à court-circuiter la zone d'oxydation catalytique, et un dispositif de conduites destiné à faire passer les gazchauds d'oxydation dans laturbine.
Une autre caractéristique de l'invention consiste en un procédé destiné à minimiser les variations de tempéra- tures des gaz d'admission d'une turbine, dans lequel l'ap- pareil d'emmagsinement de chaleur décrit ci-dessus est mis au contact des gaz, et destiné à faire passer ces gaz dans une turbine à gaz.
Une autre caractéristique de l'invention consiste en un procédé destiné à minimiser les variations de températu- re des gaz d'admission d'une turbine dans lequel lesdits gaz contiennent des matières combustibles catalytiquement, les gaz sont oxydés catalytiquement et les gaz d'oxydation chauds sont passés au travers de l'appareil d'emmagasine- ment de chaleur décrit ci-dessus avant de faire passer les gaz d'oxydation au travers de la turbine.
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D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront de leur description ci-dessous.
Fig. 1 est une illustration schématique d'un système incorporant la présente invention.
Fig. 2 est une représentation schématique d'un appareil suivant la présente invention.
Fig. 3 est un diagramme de la température des gaz d'é- chappement en fonction du temps et se rapportant à un sys- tème utilisant l'appareil d'emmagasinement de chaleur.
En se référant à la fig. 1 des dessins, un mélange ga- zeux contenant une matière combustible est envoyé par le conduit 1 dans le réacteur 3 où le mél&nge est oxydé cata- lytiquement Les vapeurs de réaction sont envoyées par le conduit 4 dans le compresseur 5 où elles sont comprimées et envoyées par le conduit 7 dans un laveur 8. Le mélange est épuré et les dépôts contenant la :nasse du produit dé- siré sont conduits par le conduit 9 vers une colonne d'ex- tractions. Les gaz de purge contenus dans le laveur et qui s'échappent de la partie supérieure de celui-ci, sont envoyés par la conduite 10 dans le réacteur 11 à gaz de purge.
Une soupape de court-circuitage est placée dans le conduit 10 afin de permettre de court-circuiter les va- peurs directement dans le récipient 16 de combustion cata- lytique par le conduit 19. Les vapeurs passant par la con- duite 10 dans le réacteur 11 à gaz de purge contenant des matières combustibles résiduaires, sont oxydées catalyti- quement et les produits de la combustion sont envoyés par la conduite 12 dans un laveur à purge 13. Les dépôts de ce laveur contenant le produit désiré, sont envoyés par la conduite 14 et remis en circuit avec les produits de la conduite 9 vers la colonne d'extraction.
Les gaz qui s'échappent à la partie supérieure du laveur à gaz de
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purge sont envoyés dans la conduite 15 et alimentés à un récipient de combustion catalytique 16 contenant des soli- des tassés et comprenant l'appareil d'emmagsinement de chaleur. Les gaz passant par la phase d'oxydation catalyti- que sont mis en contact avec les solides tassés et sont en- voyés par la conduite 17 dans une turbine à gaz 6 où ils sont expansés afin de fournir la force motrice destinée à commander le compresseur 5. Les gaz expansés sont envoyés dans l'atmosphère par la conduite 18.
Si on désire court-circuiter la phase d'oxydation cata- lytique, les gaz qui passent par la conduite 19 peuvent en- trer à la partie inférieure du récipient 16 contenant les solides tassés en entrant par la conduite 20. Ces gaz, après avoir été mis au contact des solides d'emmagasinement de chaleur, sont envoyés par la conduite 17 dans la. turbine à gaz.
Dans la réalisation ci-dessus, l'appareil d'emmagasi- nement de chaleur minimise les fluctuations de température subites des gaz admis à la turbine. Si pour une raison quelconque, on admet qu'il soit nécessaire de court-circui- ter la phase d'oxydation catalytique et que les gaz ne soient pas mis au contact de l'appareil d'emmagasinement de chaleur, la température des gaz admis à la turbine tom- be alors instantanément.
Par exemple, dans un système caractéristique de gaz de purge d'oxyde d'éthylène, si la température des gaz d'admission à la turbine des produits de combustion des gaz de purge s'échappant de la phase de combustion catalytique étit de 480 C, le fait de court- circuiter la phase d'oxydation catalytique et de permettre aux gaz de purge d'entrer directement dans la turbine sans mise en contact avec l'appareil d'emmagasinement de chaleur, réduirait instantanément la température des gaz d'admission
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à la turbine de 4cC C à 2C: C.
Lorsque les Gaz court-ci- cuitent la phase d'oxydation catalytique ... î;i sont envoyés au travers des solides d'emmagasinèrent de :::1:; 18ur \vmt leur entrée de. la turbine à gaz, la chut instantanée de température pourrait être minimisée dans une forme d'exécu- tion de l'appareil d'emmagasinement de chaleur, de manière telle que la température des gaz qui quittent les solides
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d'emmagasinement de chaleur tomberait instantanément de 4e-OOC à environ 430 C. Une chute supplémentaire de 50 d-nus la température des gaz d'échappement aurait lieu sur une période d'environ 10 minutes.
Il en résulte que, lorsque la température des gaz d'entrée aux solides-
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de chaleur est instantanément réduite de 4Ò C à w''20 C, la température des gaz d'échsppenent des solides tombe seule- ment de 60 C à 3rG C pendent une période de six minutes et il faudrait environ une heure pour atteindre 22C"C. Ctte vitesse graduelle de refroidicsemsnt fournirsit une prctec- tion adéquate contre les fluctuations subites de température ou un choc thermique dans la turbine. Dans l'exploitation industrielle, le court-circuitage de la phase d'oxydation catalytique serait nécessaire par exemple s'il se produisait une augmentation subite de la chaleur des gaz de purge.
De telles augmentations subites résulteraient probablement
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du fait qu'on a permis aux gaz de purge de ccurt-circuiter le réacteur de purge et d'entrer directement en contact avec le catalyseur dans le récipient de combustion catalytique en produisant ainsi certaines variations de température dans le catalyseur qui pourraient être néfastes. De ce
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fait, si on prévoit l'appareil d'emmagasinement de chaleur, le court-circuitage du catalyseur pourrait être effectué (en évitant ainsi la possibilité de pollution du catalyseur) d'autant plus que la chute de température résultante des
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gaz d'admission de la turbine serait sensiblement réduite éliminnt ainsi le danger de chocs thermiques à la turbine.
Ceci permettrait. à l'opérateur de l'installation d'évaluer la situation qui a eu pour effet l'augmentation brusque de la chaleur des gazde purge, et de prendre les mesures né- cessaires en vue de restaurer des conditions normales de marche régulière. De même, si la température des gaz qui quittent le lit de catalyseur, par suita d'un niveau plus élevé de conbustible ou d'oxygène, était augmentée, le fait de permettre à ces gaz d'entrer au contact des solides d'emmagasinement de chaleur, minimiserait l'augmentation subite de la température des gaz d'admission à la turbine, de sorte qu'un choc thermique à la turbine à gaz serait évité.
Bien que l'emploi de gaz de purge d'un système de réac- tion d'oxyde d'éthylène soit décrit dans le paragraphe ci- dessus, il est entendu dans la présente invention que tout autre gaz ou mélange de gaz soumis à des fluctuations subi- tes de température avant son entrée dans uneturbine à gaz, sera mis au contact de l'appareil d'emmagsinemet de cha- leur décrit ci-dessus lorsque de telles turbines peuvent être endommagées par des chocs thermiques ou lorsque l'on désira maintenir un compresseur en marche pendant qu'on prend les mesures afin de corriger les conditions troublées pouvant entraîner les possibilités de dommages à l'instal- lation.
La présente invention peut, par exemple, être utilisée en vue du réglage des fluctuations de température de la vapeur engendrée dans des chaudières sujettes à des chan- gements de charge. Une telle application permet la mise en fonctionnement de la turbine à gaz cornue résultat d'une production de vapeur et est utile plus particulièrement
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lors de la Elise en marche d'une installation, lorsque le récipient de combustion catalytique ou réacteur n'est pas en service.
En aiguillant 1= dispositif actionnant la ur- bine de l'expansion du gaz des réacteurs vers le vapeur pro- duite dans leschaudières, les compresseurs pe@vent être maintenus sans s'occuper du fonctionnement du réacteur.
L'emploi de l'appareil d'emmagsinement de chaleur afin de protéger la turbine permet d'utiliser les chaudières pour actionner la turbine étant donné que le choc thermique ou changement de charge dans la turbine résultant de fluctua- tions de charge des chaudières peut être réduit.
La présente invention peut également être utilisée en combinaison avec des appareils de chauffage @u gaz. Le récipient de combustion catalytique,eut être chargé de gaz venant des appareils de chauffage au gaz. Un manque de flamme dans ces appareils de chauffage produit souvent une chute brusque des gaz de sortie. Ces gaz de tempéra- ture variableentrent dans la chambre de combustion cata- lytique et l'emploi du dispositif d'emmagasinèrent de cha- leur à la sortie de la chambre laisse assez de temps peur corriger ce manque de flamme sans nécessiter la fermeture de la turbine.
A la fig. 2 des dessins, des gaz contenant des atires combustibles entrent par l'orifice 1 et passent en descen- dant au travers de la zone 2 d'oxydation catalytique conte- nant un lit de catalyseur supporté par une grille 3. Les gaz sont oxydés et passent au travers des briques réfrac- taires à jour 4. Un thermocouple est inséré en 5 afin de déterminer la température des produits de combustion.
Ces gaz passent au travers des briques réfractaires à jour 4 qui empêchent un mélange par retour des gaz et des per- tes par radiation, et entrent au contact des solides d'em-
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magasinement de chaleur 6 composés de boulets en- acier eu chrome de 3 pouces. Les gaz quittent le récipient par 1'o- rifice de sortie 7.
Un dispositif d'admission 8 est prévu afin de permet- tre aux gaz d'entrée de court-circuiter la zone d'oxydation catalytique 2 et de passer directement dans la zone d'emma- gasinement de chaleur 6.
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Bien que les solides d'esunagasineuent de chaleur soient, suivant le dessin, contenus dans le récipient d'oxydation catalytique, il va de soi pour l'hoirie de uétier, que les solidespeuvent être contenus dans un récipient séparé ou, dans une large variété de procédés, que les solides peu- vent âtre combinés avec ou être contenus dans plusieursty- pes d'équipement pour lesquels le contrôle de fluctuations de température est désirable.
Etant donné ce qui précède, les variations ou les mo- difications y relatives qui apparaîtront à l'honte de métier, sont bien entendu comprises dans la présente invention, à l'exception de celles qui ne tombent pas sous la portée des revendications annexées.
Exemple 1.
Un récipient cylindrique ayant ó,ó pieds de! diamètre
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et . pieds de long est i'<iàpli â,ß ltîï,i.aûnvî v : nt de 5.200 livres de boulets d'acier ayant des diamètres d'environ 5 pouces. Approximativement, 1.400 livres par heure de gaz chauffée 480 C contenant de l'anhydride carbonique, de l'oxyde d'éthylène et principalement de l'azote sont en- voyées au travers du récipient de manière que la tempéra- ture des gaz d'échappement soit maintenue à environ 480 C.
La température des gaz qui entrent dans le récipient est
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alors réduite instantanément à 22COC. Un diagr<m1ie de la température des gaz d'échappement du récipient en fonction
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du teps est enregistré à partir du ..logent de la chute instantanée de la température des gaz d'entrée, comme cela est Montré à la fig. 3.
Lorsque la température instantanée d'entrée dans le récipient tombe de 480 C à 220 C, la température instantanée .. des gaz de sortie est, comme or. peut le constater, de 430 C et dix minutes plus tard, on constate qu'elle est de 30 C, comme cela est montré à la courbe A qui est le diagramme de la température des gaz de sortie en fonction du temps lors- que l'appareil d'ammagasineuent de chaleur est utilisé avec le récipient.
La courbe B a été dessinée dans un but com- paratif afin de montrer la courbe instantanée virtuelle- mentrectiligne lorsque l'appareil d'emmagainement de cha- leur n'est pas utilisé avec le récipient.
En plus des solides en fer, acier ou autre métal, d'au- tres matières telles que des alliées, de la céramique, de la pierre, de la ponce ol tout autre solide ayant une capa- cité calorifique adéquate et facile à obtenir et résistant à la corrosion, peuvent être employés pour l'emmagsinement de chaleur.
L'application de la présente invention est envisagés pour les réactions d'oxydation catalyique dans lesquelles un catalyseur de basse capacité thermique est utilisé tel que dans l'oxydation des hydrocarbures en méthanol.
D'autres applications dans lesquelles on rencontre divers procédés d'état instable apparaîtront facilement à l'homme de métier. L'invention peut évidement être utilisa avec des turbines à vapeur d'une manière sembla- ble aux exemples de réalisation décrits ci-dessus en liai- son avec des turbines à gaz.
Le diamètre des solides employés pour l'emmagasinement de chaleur devrait être inférieur à 10 pouces étant donné
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que l'utilisation de diamètres plus grands donnerait des vitesses de transfert de chaleur limitées, ce qui modifie- rait la réaction du système.
Des diamètres dans la gamme d'environ 2 pouces à 10 pouces sont désirables. De préférence, les diamètres de- vraient se trouver dans une gamme d'environ 3 pouces à 5 pouces.
Des diamètres inférieurs à un pouce ne sont pas désira- bles, attendu qu'il en résulterait de grandes chutes de pression au travers de l'appareil. Cependant, dans l'em- ploi d'une installation à petite échelle telle que dans les applications de laboratoire, des diamètres de moins d'un pouce peuvent être économiquement utilisés.
Les solides auront, de préférence, une forme sphérique en vue de faciliter la manipulation et de réduire les chutes de pression au travers de l'appareil. Toutefois, des soli- des ,le tout; forme irrégulière ou autre peuvent être effica- cement employés.
Il est entendu que, dans la présente invention, la gé- ométrie du récipient n'est pas limitée @ux caractéristiques décrites à l'exemple 1. La sélection et la grandeur des matières, des diamètres des récipients et la composition des gaz dépendront du procédé, des variations de tempéra- ture des gaz dans le système et des tensions thermiques permises dans l'équipement du procédé.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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Stored heat in chemical processes.
The present invention relates to apparatus for storing heat in chemical processes. More particularly, it relates to the use of a vessel containing a bed of packed solids having the characteristics necessary for the storage of heat in chemical processes subject to unstable conditions of state, flow and temperature. The invention relates more particularly to bringing the gases into contact with an apparatus containing heat storage solids, and to devices intended to pass the gases brought into contact leaving such an apparatus towards the apparatus sensitive to shocks. thermal.
It is well known that high heat capacity materials can be used to absorb large
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quantities of c # = :, their and subsequently reject this heat over a period of time. The rate at which heat is absorbed and tr :: '3-r, é-a is difficult to regulate furthermore as these rates are a function of several varying physical characteristics, hence it As a result, the construction of such a network is a difficult and complex problem.
D.-n-- Uli. "A wide variety of chemical processes, state, flow and temperature conditions created great variations in the conditions.
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heat flow and dc ta.:J.p,r"i.,ur8 of the currents entering the contact of the various parts of the S: 'st0w.e of the iW0- given that the construction of such devices
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is often based on thermal tensions linked: icées Ç1d- missible,., ..: 8 decreases.er-ts and 4- surges of t3:;: per:,: ture of [;; é.1.Z which flowing d!, 1, .rl or out of app-irsil embankments, can create additional shocks which can be the C & US2 of damage to the equipment.
As a result of this danger, methods to control vi, ri: ltions of tc,.-..- P --- r.,) Ture in clinical procedures are necessary, thus increasing the expense of equipment. .
A feature of the present invention is
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in the construction of an apparatus of stiné à 1 st, v -., ûgc: sine- ment of the heat of which the speed of heat transmission can be regulated.
Another feature of the present invention is to provide an inexpensive and efficient method of controlling temperature variations in a chemical process without requiring expensive equipment resulting in complicated control and high maintenance costs.
A further feature of the invention is an economical method of protecting turbines.
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gas-fired against thermal shock by employing a heat storage device as an inexpensive temperature control.
Yet another feature of the invention is to minimize the temperature fluctuations of the exhaust gases leaving a catalytic combustion vessel or reactor and flowing to another piece of equipment sensitive to thermal shock.
In a preferred embodiment of the invention, the heat storage apparatus comprises a vessel containing a bed of solids, preferably packed, of a metallic material such as iron or steel. these solids have a thermal capacity in a range of from about 0.1 to 0.3 BTU / 1b / F, a maximum diameter of less than about 10 inches and arranged to allow the gases to flow or through the con- tainer in a range of about 100 to 20 COO pounds per hour per square foot (1b / hr / ft2) of total empty cross-section, the ratio of the diameter of the spheres to the diameter of the container being less than about 0.1.
Another preferred form of the invention comprises the combination of a gas turbine, the heat storage apparatus described above and a conduit device for passing the gases which have been brought to the gas. contact of the bed of solid spheres in the turbine.
Another preferred embodiment of the invention comprises a container fitted with a device for entering gas into a catalytic oxidation zone ,. a heat storage zone comprising the bed of solid spheres described above. the heat storage zone being provided with devices intended to receive the hot oxidation gases from the catalytic oxidation zone, a device intended to support the carbon oxidation zone
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catalyst, a device for exhausting the gases into the heat storage zone and a device allowing the entry of gases into the vessel by short-circuiting the catalytic oxidation zone.
A further preferred embodiment of the invention comprises in combination a gas turbine, a vessel provided with a device for entering gases into a catalytic oxidation zone, a heat storage zone comprising the bed of spheres solids described above, the heat storage zone having a device intended to receive the hot oxidation gases from the catalytic oxidation zone, a device intended to support the catalytic oxidation zone, an outlet device for gas from the heat storage zone, a device allowing the entry of gases to the vessel and intended to bypass the catalytic oxidation zone, and a pipe device intended to pass the hot oxidation gases into the turbine.
Another feature of the invention consists of a method for minimizing the temperature variations of the inlet gases of a turbine, in which the heat storage apparatus described above is contacted. gases, and intended to pass these gases through a gas turbine.
Another feature of the invention consists of a method for minimizing the temperature variations of the inlet gases of a turbine in which said gases contain catalytically combustible materials, the gases are catalytically oxidized and the oxidation gases hot are passed through the heat storage apparatus described above before passing the oxidation gases through the turbine.
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Other characteristics of the invention will emerge from their description below.
Fig. 1 is a schematic illustration of a system incorporating the present invention.
Fig. 2 is a schematic representation of an apparatus according to the present invention.
Fig. 3 is a diagram of the exhaust gas temperature versus time relating to a system using the heat storage apparatus.
Referring to fig. 1 of the drawings, a gaseous mixture containing a combustible material is sent through line 1 to reactor 3 where the mixture is catalyzed. The reaction vapors are sent through line 4 to compressor 5 where they are compressed and sent via line 7 to a washer 8. The mixture is purified and the deposits containing the sludge of the desired product are carried via line 9 to an extraction column. The purge gases contained in the scrubber and which escape from the upper part of the latter, are sent through line 10 to the purge gas reactor 11.
A bypass valve is placed in line 10 to allow the vapors to be bypassed directly into catalytic combustion vessel 16 through line 19. The vapors passing through line 10 into the reactor. 11 purge gas containing residual combustible materials, are catalytically oxidized and the combustion products are sent through line 12 to a purge scrubber 13. The deposits of this scrubber containing the desired product are sent through the line. 14 and reconnected with the products from line 9 to the extraction column.
The gases escaping from the top of the gas scrubber
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purges are sent to line 15 and fed to a catalytic combustion vessel 16 containing packed solids and including the heat storage apparatus. The gases passing through the catalytic oxidation phase are brought into contact with the packed solids and are sent through line 17 to a gas turbine 6 where they are expanded in order to provide the motive force intended to control the compressor. 5. The expanded gases are sent to the atmosphere through line 18.
If it is desired to bypass the catalytic oxidation phase, the gases which pass through line 19 can enter the lower part of receptacle 16 containing the packed solids by entering through line 20. These gases, after having been placed in contact with the heat storage solids, are sent through line 17 into the. gas turbine.
In the above embodiment, the heat storage apparatus minimizes sudden temperature fluctuations of the gases admitted to the turbine. If for some reason it is accepted that it is necessary to short-circuit the catalytic oxidation phase and that the gases are not brought into contact with the heat storage apparatus, the temperature of the gases admitted to the turbine then falls instantly.
For example, in a typical ethylene oxide purge gas system, if the temperature of the turbine inlet gases of the combustion products of the purge gases escaping from the catalytic combustion phase was 480 ° C. , bypassing the catalytic oxidation phase and allowing the purge gases to enter the turbine directly without coming into contact with the heat storage apparatus, would instantly reduce the temperature of the inlet gases.
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at the turbine from 4cC C to 2C: C.
When the gases bypass the catalytic oxidation phase ... i are passed through the stored solids of ::: 1 :; 18ur \ vmt their entry from. the gas turbine, the instantaneous drop in temperature could be minimized in some form of the heat storage apparatus, such that the temperature of the gases leaving the solids
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storage temperature would drop instantly from 4e-OOC to about 430 C. A further 50% drop in exhaust gas temperature would occur over a period of about 10 minutes.
As a result, when the temperature of the inlet gases to the solids
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of heat is instantly reduced from 4Ò C to w''20 C, the temperature of the exhaust gases from the solids drops only from 60 C to 3rG C over a period of six minutes and it would take about an hour to reach 22C " C. This gradual cooling rate provides adequate protection against sudden temperature fluctuations or thermal shock in the turbine. In industrial operation, shorting of the catalytic oxidation phase would be necessary, for example if there was a sudden increase in the heat of the purge gases.
Such sudden increases would likely result
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that the purge gases were allowed to cut-out the purge reactor and come into direct contact with the catalyst in the catalytic combustion vessel thereby producing certain temperature variations in the catalyst which could be detrimental. From this
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In fact, if the heat storage device is foreseen, the short-circuiting of the catalyst could be carried out (thus avoiding the possibility of pollution of the catalyst), especially as the resulting temperature drop
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Turbine inlet gas would be significantly reduced thus eliminating the danger of thermal shock to the turbine.
This would allow. the operator of the installation to assess the situation which had the effect of the sudden increase in the heat of the purge gases, and to take the necessary measures to restore normal operating conditions. Likewise, if the temperature of the gases leaving the catalyst bed, as a result of a higher level of fuel or oxygen, were increased, allowing these gases to come into contact with the storage solids. heat, would minimize the sudden increase in the temperature of the inlet gases to the turbine, so that thermal shock to the gas turbine would be avoided.
Although the use of purge gas from an ethylene oxide reaction system is described in the above paragraph, it is understood in the present invention that any other gas or mixture of gases subjected to sudden fluctuations in temperature before entering a gas turbine, will be brought into contact with the heat storage apparatus described above when such turbines may be damaged by thermal shocks or when desired. keep a compressor running while measurements are taken to correct disturbed conditions that could lead to the possibility of damage to the installation.
The present invention can, for example, be used for controlling the temperature fluctuations of the steam generated in boilers subject to load changes. Such an application allows the operation of the retort gas turbine resulting from the production of steam and is more particularly useful.
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during the Elise operation of an installation, when the catalytic combustion vessel or reactor is not in service.
By directing the device which activates the urinary expansion of the gas from the reactors to the vapor produced in the boilers, the compressors can be maintained without taking care of the operation of the reactor.
The use of the heat storage device to protect the turbine allows the boilers to be used to drive the turbine since thermal shock or load change in the turbine resulting from boiler load fluctuations can occur. be reduced.
The present invention can also be used in combination with gas heaters. The catalytic combustion vessel could be charged with gas from gas heaters. A lack of flame in these heaters often results in a sudden drop in the outlet gases. These gases of variable temperature enter the catalytic combustion chamber and the use of the device for storing heat at the outlet of the chamber leaves enough time to correct this lack of flame without requiring the closing of the chamber. turbine.
In fig. 2 of the drawings, gases containing combustible materials enter through port 1 and pass downward through catalytic oxidation zone 2 containing a bed of catalyst supported by a grid 3. The gases are oxidized and pass through the refractory bricks at day 4. A thermocouple is inserted at 5 in order to determine the temperature of the combustion products.
These gases pass through day 4 refractory bricks which prevent back-mixing of gases and radiation losses, and come into contact with exhaust solids.
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6 heat store composed of 3 inch chrome steel balls. The gases leave the container through the outlet port 7.
An inlet device 8 is provided in order to allow the inlet gases to bypass the catalytic oxidation zone 2 and to pass directly into the heat storage zone 6.
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Although the heat storage solids are, according to the drawing, contained in the catalytic oxidation vessel, it goes without saying that the solids may be contained in a separate vessel or, in a wide variety of ways. processes, which the solids can be combined with or contained in many types of equipment for which the control of temperature fluctuations is desirable.
In view of the foregoing, variations or modifications thereto which will appear to shame in the art are of course included in the present invention, except for those which do not fall within the scope of the appended claims.
Example 1.
A cylindrical container having ó, ó feet of! diameter
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and. feet long is 5,200 pounds of steel balls having diameters of about 5 inches. Approximately 1,400 pounds per hour of heated 480 C gas containing carbon dioxide, ethylene oxide and predominantly nitrogen is passed through the vessel so that the temperature of the gas exhaust is maintained at approximately 480 C.
The temperature of the gases entering the container is
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then instantly reduced to 22COC. A diagram of the temperature of the exhaust gases from the container as a function of
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teps is recorded from the instantaneous drop in the inlet gas temperature, as shown in fig. 3.
When the instantaneous inlet temperature into the vessel drops from 480 C to 220 C, the instantaneous temperature of the outlet gases is, like gold. can be seen, from 430 C and ten minutes later, we see that it is 30 C, as shown in curve A which is the diagram of the temperature of the outlet gases as a function of time when l The heat storage apparatus is used with the vessel.
Curve B has been drawn for the purpose of comparison to show the instantaneous virtual mid-linear curve when the heat storage apparatus is not used with the vessel.
In addition to solids of iron, steel or other metal, other materials such as alloys, ceramics, stone, pumice or any other solid having an adequate calorific capacity and easy to obtain and corrosion resistant, can be used for heat storage.
The application of the present invention is envisioned for catalyic oxidation reactions in which a low heat capacity catalyst is used such as in the oxidation of hydrocarbons to methanol.
Other applications in which various unstable state processes are encountered will be readily apparent to those skilled in the art. The invention can of course be used with steam turbines in a manner similar to the embodiments described above in connection with gas turbines.
The diameter of solids used for heat storage should be less than 10 inches due to
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that the use of larger diameters would result in limited heat transfer rates which would alter the reaction of the system.
Diameters in the range of about 2 inches to 10 inches are desirable. Preferably, the diameters should be in a range of about 3 inches to 5 inches.
Diameters less than one inch are not desirable, as this will result in large pressure drops across the apparatus. However, in the employment of a small scale installation such as in laboratory applications, diameters of less than one inch can be economically used.
The solids will preferably have a spherical shape for ease of handling and to reduce pressure drops through the apparatus. However, solids, the whole; irregular or other shape can be effectively employed.
It is understood that, in the present invention, the geometry of the container is not limited to the characteristics described in Example 1. The selection and size of the materials, the diameters of the containers and the composition of the gases will depend on the type of material. process, temperature variations of the gases in the system, and thermal stresses allowed in the process equipment.
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