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Procédés et appareil pour réaction physique ou chimique entre des gaz et des matières solides ou liquides.
La présente invention concerne un procédé et un appareil pour faire entrer en contact des gaz avec des matières solides ou liquides et, en particulier, pour faire entrer en contact des ma- tières solides ou des matières fluides, constituées en particules, avec un courant de gaz soumis à une accélération, pour effectuer un transport de chaleur, un séchage ou une autre interaction entre des gaz et des matières solides ou liquides.
L'appareil de l'invention s'applique notamment au séchage par pulvérisation et au séchage par évaporation rapide de matières, ou encore pour chauffer ou pour refroidir d'une manière efficace une matière réduite en particules.
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L'invention est applicable particulièrement dans la fabrication du ciment Portland, du carbonate de soude anhydre, de la chaux et pour le séchage de produits chimiques, de charbon, de sable et de denrées alimentaires ou de produits agricoles.
Le procédé suivant l'invention est caractérisé notamment par ce qu'on fait passer un gaz, à une vitesse élevée, à travers une zone dont la section droite va en diminuant de telle manière que le gaz se trouve accéléré dans cette zone et on injecte une la- tière fluide à particules solides liquides dans le courant de gaz soumis à une accélération, cette injection étant faite dans l'en- semble transversalement à la direction de l'écoulement de az de telle sorte que les particules discrètes de matière soient entrai- néeset accélérées par le courant de gaz suivant l'écoulement na- turel de ce dernier.
L'appareil pour la mise en application du procédé suivant l'invention est caractérisé par ce qu'il comprend une conduite dont la section va en diminuant, une gorge en communication avec l'extrémité de petit diamètre de la conduite, des moyens pour chasser le gaz à une vitesse élevée successivement à travers la con- duite et à travers la gorge, et des moyens pour injecter une ma- tière solide ou une matière liquide dans la conduite suivant une direction qui est, dans l'ensemble, orientée transversalement par rapport à l'axe de la conduite.
Suivant une forme de réalisation, le moyen d'injection peut être une base pour pulvériser du liquide dans la conduite sui- vant une direction orientée transversalement par rapport à l'axe de cette dernière où il peut être un distributeur pour injecter des matières solides dans une telle direction.
L'appareil décrit ci-après et comprenant la conduite dont la section droite va en diminuant et la gorge en communication avec ladite conduite est désigné sous le nom de "tuyère d'écoulement".
Le moyen destiné à l'injection de matière liquide est désigné sous le nom de "buse d'alimentation" et le moyen pour injecter des ma- tières solides est désigné sous le nom de "distributeur". Le sécha-
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ge par pulvérisation, utilisé ici, concerne le séchage ou la concentration de solutions liquides ou bouillies, tandis que le séchage par évaporation rapide concerne l'enlèvement de l'humidité de matières solides humides.
L'invention s'étend également aux caractéristiques ré- sultant de la description ci-arrès et des dessins joints ainsi qu'à leurs combinaisons possibles.
La description se rapporte à des exemples de réalisation représentés'aux dessins, dans lesquels-: - ---- - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une tuyère d'écoulement et de la structure à buses d'alimentation
Qui l'accompagne.
- La figure 2 est une coupe longitudinale d'une autre réalisation de la tuyère d'écoulement suivant l'invention, montrant une structure différente de buse d'alimentation.
- La figure 3 est une coupe longitudinale d'une autre réalisation de la tuyère d'écoulement suivant l'invention, montrant une autre variante de structure de buse d'alimentation.
- La figure 4 est une coupe longitudinale d'une tuyère d'écoulement suivant l'invention montrant une buse d'alimentation à pulvérisation et montrant schématiquement les trajets de la ma- tière injectée dans la tuyère d'écoulement.
- La figure 5 est une représentation schématique d'un séchoir utilisant les principes de l'invention.
- La figure 6 est une représentation schématique d'un séchoir à charbon utilisant les principes de l'invention.
- La figure 7 est une vue partie en élévation et partie en coupe longitudinale, montrant une autre réalisation d'une tuyère d'écoulement et des moyens d'alimentation en matières solides pour ladite tuyère.
- La figure 8 est une vue en plan de la structure repré- sentée sur la figure 7.
- La figure 9 est une vue partie en élévation et partie
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en coupe longitudinale, montrant un séchoir vertical aui utilise les principes de l'invention.
- La figure 10 est une représentation graphique, montrant la relation entre la vitesse du gaz, la température et l'aire de section droite d'une tuyère d'écoulement suivant l'invention pour des positions choisies axialement le long de la tuyère d'écoulement.
- La figure 11 est une représentation analogue à celle suivant la figure 10 et montrant en outre la vitesse de matières solides.
Sur les figures 1 à 3, du gaz, animé d'une vitesse éle- vée, est fourni à une conduite 20. Cé gaz se déplace vers la pièce convergente 21 dont l'extrémité 22, de grand diamètre, est en commu- nication avec la conduite 20. La partie convergente 21, ayant une section droite qui va en diminuant depuis l'extrémité 22 du grand diamètre jusqu'à la gorge 23, accélère l'écoulement du gaz qui la traverse. Des solides ou des liquides alimentent des tuyères qui sont placées dans la zone convergente 21 de la tuyère principale et en amont de la gorge 23. Sur la figure 1, plusieurs tuyères 25 sont espacées uniformément autour de la périphérie de la tuyère principale et elles injectent la matière vers l'intérieur, au-delà du centre de la tuyère principale et vers les parois convergentes de cette dernière.
Les tuyères 26 et 27 représentées respectivement. sur les figures 2 et 3 injectent la matière vers l'extérieur à partir du centre de la tuyère principale vers les parois de cette dernière. La matière, qu'elle soit solide ou liquide, est par conséquent injectée dans le gaz qui prend de l'accélération dans la conduite principale et cette injection s'effectue, dans l'ensemble, transversalement par rapport à la direction d'écoule- ment du gaz. La gorge 23 de la tuyère principale est en communica- tion avec une conduite de diffusion 28 qui redresse l'écoulement de gaz et de particules.
La conduite 28 peut avoir une section 'droite uniforme mais elle a, de préférence, une section droite allant en augmentant, afin de permettre au gaz de récupérer sa
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pression après qu'il a franchi la gorge 23 et par suite afin de réduire la puissance nécessaire pour le pompage du gaz.
La figure 4 illustre schématiquement l'action du courant de gaz, soumis à une accélération, sur la matière injectée. La buse 27 a fourni dans la zone convergente une lame mince de liquide, plate, en forme de soucoupe. Le plan de pulvérisation est perpendiculaire à l'axe de la tuyère principale. Lorsque le courant de gaz, soumis à une accélération, entre en contact avec la-lame ou feuille de liquide, il corrramence par infléchir ladite feuille pour la cisailler ensuite en gouttelettes minuscules qui sont entraînées par le courant de gaz ainsi que l'indiquent les flèches de la figure 4.
La matière injectée est une matière solide ou une ma- tière liquide. Les solides naturellement sont réduits en parti- cules ou pulvérisés. On peut injecter les liquides au moyen d'un ajutage de pulvérisation et dans ce cas, le liquide est ré- duit en particules quand il entre en contact avec le gaz soumis à une accélération ou avec une feuille de liquide, comme dans le cas de la figure 4, dans lequel le courant de gaz disperse la feuille ou gouttelettes minuscules. En conséquence, la matière injectée peut être définie, d'une manière générale, comme étant "une matière fluide formant des particules distinctes". Ce te définition s'entend comme englobant des matières solides distinc- tes et des gouttelettes liquides et des courants ou nappes de liquide qui peuvent être cisaillés en gouttelettes distinctes.
La forme précise de la partie convergente de la tuyère d'écoulement ne paraît pas avoir une influence critique mais il faut que la convergence soit suffisamment accentuée pour que le gaz soit accéléré sur toute l'étendue de la zone convergente. En autres termes, il faut que la vitesse du gaz augmente progressi- vement d'un bout à l'autre de la zone convergente. La vitesse, pour une installation caractéristique, est représentée sur la figure 10 et il y a lieu de faire remarquer que l'augmentation
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de vitesse s'effectue à une allure plus rapide que celle d'une variation linéaire, en dépit du fait que la température du gaz s'abaisse, ce qui diminue par conséquent le volume du gaz quand le gaz passe à travers la partie convergente.
Les buses doivent diriger la matière transversalement par rapport à la direction d'écoulement du gaz, c'est-à-dire, vers les parois de la zone convergente. Il ne se produit pas de dépôts de matière sur les parois 21, ni sur les parois de la partie 23 correspondant à la gorge, ni sur les parois du diffu- seur 28. Le courant convergent de gaz entraîne les particules ainsi que cela est indiqué d'une manière générale par les flèches sur les figures 1 à 4. On a constaté dans la conduite de diffu- sion 28, dans lequelle l'écoulement du gaz se redresse, que les particules ayant une masse plus grande se concentrant le long de l'axe de la conduite, tandis que les particules fines se concentrent à la périphérie de la conduite. On dispose ainsi d'une manière commode de procéder au classement des particules suivant leur masse.
Il suffit pour cela de recueillir séparément, d'une part les particules qui sont voisines de l'axe de la conduite et, d'autre part, les particules qui sont voisines de la périphérie de cette dernière.
Si-, la matière est injectée axialement, en descendant, vers la gorge ou si la matière est injectée transversalement par rapport à l'écoulement de gaz dans la gorge 23, les buts de l'in- vention ne-sont pas atteints et les avantages de l'invention ne sont pas obtenus. Le résultat de telles pratiques est de pro- duire des éta.t s de turbulence marqués, une faible transmission de chaleur, et dans le cas du séchage de matières solides humides, des emplâtres ou masses adhérentes de matière humide contre les parois de l'appareil.
En conséquence, il faut qu'au début, la matière entre en contact avec le courant de gaz en un point où le courant de gaz est soumis à une accélération et que cette en-
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trée en contact s'effectue suivant une direction orientée, dans l'ensemble parallèlement à la direction de l'écoulement du az, de telle sorte que la matière ait un chemin allongé et demeure dans la zone convergente suffisamment longtemps pour que soit obte- nu le contact désiré avec le gaz.
L'écoulement à travers la tuyère d'écoulement, la gorge et les autres conduites est un écoulement naturel et sans turbu- lence. La turbulence doit être évitée dans la mise en pratique de l'invention parce qu'elle se traduit rar une diminution de la capa- cité de l'appareil, par un séchage non uniforne ou une transmission de chaleur non uniforme et par un collage de matière sur les parois de l'appareil.
Dans la mise en pratique de l'invention, on peut adopter une gamme étendue de conditions d'écoulement. En général, la ma- tière liquide fournie à la buse, se trouve sous une pression relati- vement basse (de l'ordre de 1,757 à 7,030 kg/cm2 à la buse). Les matières solides sont amenées en suspension gazeuse à. une pression relativement basse ou bien elles peuvent être projetées à partir d'un distributeur tournant. Pour assurer l'alimentation en matières liquides, on peut utiliser, outre la buse représentée sur les fi- gures 1 à 4, un dispositif rotatif. Dans une installation caracté- ristique dont un aperçu a été donné sur la figure 10, l'extrémité de grand diamètre de la partie convergente a un diamètre intérieur de 508 mm et la gorge a un diamètre intérieur de 9 mm.
La longueur te cale de la partie convergente est de 203 mm. De l'air è une température de 954 C arrive à une vitesse de 15,25 m/sec. tandis que la température s'abaisse de 954 C à 93 C. Dans l'exemple re- présenté sur la figure 10, c'est de l'eau seulement qui est amense à la buse. Pour des opérations particulières, la vitesse du gaz à l'entrée de la partie convergente peut varier de 7,62 à 30,48 m/sec pour des valeurs correspondantes de 76,2 à 304,$ m/sec à la gorge.
La chute de pression produite par le passage à travers l'appareil peut être comprise entre 508 à 3550 mm de colonne d'eau peur les
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matières liquides .et entre 254 et 7620 mm de colonne d'eau pour les matières solides.
Ainsi que le montre la figure 10, toute la transmission de chaleur se produit sensiblement dans la partie convergente.
Il est manifeste qu'il existe dans la zone convergente des vitesses de transmission de la chaleur qui sont très élevées.
Il est par conséquent possible d'évaporer des quantités énormes d'eau, par exemple, dans un espace de volume très petit. Des sécho@s construits conformément à la présente invention ont fourni des vi- tesses d'absorption de chaleur de 80 millions à 800 millions de B.T.U./heure/mètre cube.
La tuyère d'écoulement et les conduites qui l'accompa nent sont fabriquées à partir de métaux appropriés. Pour les applications faisant intervenir des températures élevées, on donne la préférencp à de l'acier inoxydable revêtu d'une matière réfractaire.
La figure 5 représente une application de l'invention uti- le pour le séchage par pulvérisation de solutions et de bouillies.
Des gaz chauds à une vitesse élevée, provenant d'un dispo- sitif à brûleur et souffleur, non représenté, sont amenés à la conduite 70. La matière à sécher est amenée par l'intermédiaire du tuyau 72 à la buse d'alimentation 73 et elle est injectée dans le courant de gaz, soumis à une accélération, suivant une direction qui est orientée transversalement par rapport à la direction d'é- coulement du gaz. La partie convergente de la tuyère d'écoulement est désignée par le repère 71 et la gorge est désignée par le re- père 74. Tout l'échange de chaleur s'effectue au cours du temps pendant lequel la matière injectée atteint la gorge 74 et la ma tière séchée est portée dans la partie 75 qui constitue le diffu- seur et de cette dernière dans la partie 76 qui constitue le collecteur.
La matière séchée se vide dans la trémie 82 et elle peut être enlevée au moyen du tuyau 83, par un courant d'air four- ni au tuyau 89. Après avoir quitté le collecteur, les gaz sont épurés dans l'épurateur 77, cette opération ayant pour but d'en- lever les fines en suspension et les gaz s'échappent à travers
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la conduite 78. Le liquide de lavage est fourni à la partie supé- rieure de l'épurateur par l'intermédiaire d'un tuyau 79 et au moyen d'une pompe 80 et les fines récupérées sont recueillies dans le collecteur 81. Le liquide de lavage qui surnage est remis en circulation vers l'épurateur, d'une manière qui est bien connue dans les matériels de l'espèce.
Comme exemple de matières pouvant être séchées dans l'ap- pareil représenté sur la figure 5, on peut citer des bouillies d'argile et de pierre à chaux que l'on sèche pour obtenir la matiè- re qui est ensuite calcinée pour former la scorie de ciment Portland et des bouillies de gel de silice.
La figure 6 illustre un séchoir à charbon pulvérisé uti- lisant les principes de l'invention. Du charbon pulvérisé humide en suspension dans un courant d'air est fourni, par l'intermédiaire de la conduite 24, à la base 29 et il est dirigé, à l'extérieur de cette dernière, vers les parois convergentes de la tuyère d'écoule- ment 21. Un gaz chaud à une vitesse élevée est fourni dans la partie
20 au moyen d'un brûleur 30 et d'un souffleur qui fournit de l'ir à la conduite 20. Le charbon est séché dans la partie convergente
21 et il passe à travers la conduite 28 de diffusion où les fines se concentrent au voisinage de la périphérie de ladite conduite tandis que les particules plus lourdes se concentrent au voisinage de son axe.
Le gaz et les particules de charbon en suspension dans le gaz passent à travers une conduite 31 élargie, dans lacuelle leur vitesse se trouve réduite, et à travers le collecteur 32. Les gaz humides, refroidis, s'échappent par le tuyau 33 où l'on peut les laver éventuellement, avec de l'eau pour enlever les fines en suspension. Le collecteur dépose les particules lourdes recueillies au voisinage de l'axe de la conduite 31 sur la courroie transvor- teuse 34. Une partie au moins des fines recueillies à la périphérie de la conduite 31 est amenée par une goulotte 35 à une zone de sus- pension 36 où les fines sont ramassées et mises en suspension dans un courant d'air entrant en 37 pour arriver ensuite au brûleur 30 en passant par le tuyau 38.
Par conséquent, le séchoir à charbon sè-
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che le charbon d'une manière efficace, le classe, et, en outre, une certaine partie des fines est brûlée en vue du dévelop ement de la chaleur nécessaire pour le séchage du charbon. Dans la pratique, on peut préférer la solution qui consiste à fournir le charbon humide au séchoir au moyen du transporteur 34, à enlever seulement une partie du charbon pour l'alimentation du séchoir et à laisser le restant de charbon sur le transporteur. La partie de charbon pas- sant à travers le séchoir est recueillie à l'état de matière sèche et déposée sur le dessus du restant de charbon humide du transpor- teur, ce qui fournit un charbon ayant une teneur en humidité satis- faisante.
La description ci-après est un exemple du fonctionnement du séchoir à charbon suivant la figure 6. On a séché, dans l'appa- reil des figures 5 à 7, 78,700 tonnes par heure d'un charbon humide contenant 18% d'eau. On a fourni la chaleur nécessaire en brûlant 0,950 tonnes par heure de fines séchées. La quantité d'eau évaporée s'est élevée à 10,700 tonnes par heure et il a fallu pour cela 536 grandes calories par kg d'eau évaporée. La température à l'em- bouchure 49 du brûleur était de 1649 C. La soufflante 31a a fourni 557 kg d'air par minute, donnant une température de 816 C à la bu- se 29. L'échappement de l'air s'effectuait à une température de 104 C.
Les figures 7 et 8 illustrent une autre forme d'appareil pour contact, disposé horizontalement. Dans ce cas, la tuyère d@é- coulement n'a pas une forme conique symétrique mais elle présente un couloir. Les gaz à amener en contact arrivent par une conduite à section droite rectangulaire ayant une partie supérieure et une partie inférieure qui convergent l'une vers l'autre et qui se ter- minent à une gorge ayant une section droite limitée, définie par les éléments 76 et 85. La plaque inférieure 84 est articulée par charnière en 69 avec la partie inférieure de la conduite 65. La plaque supérieure 67 est articulée par charnière avec la partie supérieure de la conduite rectangulaire 88, en 68.
La plaque 85 est articulée par charnière, d'une manière analogue, avec la par- tie inférieure de la conduite 88 en 86. Il est évident d'après la
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la figure 7 que l'on peut régler et faire varier l'aire de section droite de la partie de gorge par un mouvement des plarues 67, 84 et 85.
La plaque supérieure 67 porte un élément 66 qui est di- rigé vers le haut et qui est fixé à ladite plaque. Une fente 64 qui règne en travers de la conduite est utilisée pour l'introduc- tion de matière solide dans la tuyère d'écoulement. On peut obte- nir une admission uniforme de cette matière solide à travers la fente 64 au moyen d'une courroie transporteuse 61 passant sur un tambour de commande 62. On peut utiliser naturellement, au lieu de transporteurs à courroie, d'autres formes de transporteurs comprenant des alimentateurs vibrants.
Le transporteur et la fente 64 peuvent t r e contenus dans une enveloppe, non représentée, à l'intérieur de laquelle on peut faire régner une pression pour empêcher l'échappement de matières ou pour préserver l'atmosphère à l'intérieur de la tuyère.
Les appareils des figures 6 et 7 sont utilisés pour sé- cher des matières solides humides telles que le charbon, le sable et les matières analogues, qui sont amenées uniforénent à la fente 64 par le transporteur. La matière qui tombe à travers la fente descend par gravité suivant une direction orientée transver- salement par rapport à celle du courant de gaz et elle est accélé- rée par le courant de gaz, soumis à une accélération et déplacé à travers la gorge suivant un. écoulement naturel, non turbulent.
La matière séchée est recueillie en aval ce la conduite 88, suivant la description déjà donnée précédemment.
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La tuyère d'écoulement des Figs. 7 et 8 présente, comme on l'a vu , une gorge dont les dimensions peuvent être réglées afin qu'il soit possible de commander efficacement et de près, le fonctionnement de l'opération mais il est possible aussi de choisir des dimensions correspondant à une très grande capacité.
Il est bien évident que l'on peut donner au canal la largeur per- mettant d'obtenir la capacité nécessaire. Comme dans le cas de la tuyère conique, c'est sensiblement toute la transmission de chaleur ou tout le séchage qui s'effectue entre le point d'in- troduction des matières solides et la gorge.
La Fig. 9 montre un séchoir ou appareil pour contact, du type vertical. De l'air venant d'une soufflante (non repré- sentée) est amené dans le carter 53 par une conduite 52. L'air descend à travers la conduite 20 et à travers la conduite d'écou- lement 21,28. Un brûleur, désigné d'une manière générale par le repère 54, est en communication avec la conduite 20. La conduite
28 débouche dans un collecteur 55.
La matière à traiter est amenée par un tuyau 24 à une buse où elle est dirigée vers l'extérieur, vers les parois conver- gentes de la tuyère d'écoulement. Dans la réalisation repr6sen- tée pour le séchage de solides tels que le charbon etc, les ma- tières solides sont amenées sur un plateau distributeur tournant.
Le tuyau d'alimentation 24 est de préférence contenu à l'intérieur d'une chemise d'eau 51, de la manière représentée. La natière séchée ou traitée, est recueillie dans le collecteur 55 et enle- vée périodiquement en 56a au moyen d'un sas tournant 56. Le gaz, contenant des fines, est enlevé du collecteur 55 par une conduite 57 qui l'emmène vers un second collecteur 58. Les fines sont enlevées en 59 et le gaz s'échappe en 60. Le collecteur 58 peut être un séparateur du type cyclone ou un autre séparateur. On peut faire passer les gaz qui s'échappent en 60 à travers un épu- rateur humide, si on le désire.
Les matières séchées 87, recueillies dans le quadrant
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supérieur du sas à air 56, servent à fournir un matelas d'air à la partie inférieure du collecteur 55. Par conséquent l'air qui se déplace vers le bas à une vitesse relativement élevée dans le collecteur "bouscule" la matière se trouvant dans le sas à air et passe vers le haut. Cela ralentit les particules et empêche qu'elles se dispersent ou se mettent en masse compacte dans le sas à air.
On a donné ci-après un exemple de séchage utilisant l'appareil de la figure 9. On a fourni 3 la buse 50 du séchoir de la Fig.8, sous une pression manométrique de 2,812 kg/cm2, 1911 kilogs par heure d'une bouillie de silice (contenant 8 pour cent de silice, 2 pour cent de selb et 90 pour cent d'eau et préparée par hydrolyse acide du silicate de sodium. De l'air a été fourni à l'entrée 52 à raison de 86,975 kg par minute et l'on a brûlé, dans le brûleur 54,119 m3 par heure rapportés aux condi- tions normales de température et de pression de gaz naturel. La température à la buse était de 982 C et la température du gaz d'é- chappement dans le collecteur était de 132 C. La production a été de 270 kilogs par heure, de gel de silice contenant 30 pour- cent d'eau.
La dépense de combustible a été de 633 grandes ca- lories par kilog d'eau évaporée auxquelles il faut ajouter 42/CV pour actionner la soufflante et la pompe destinée à fournir la bouillie à la buse.
D'autres applications de l'appareil de la figure 9 comprennent le refroidissement et le séchage de la farine. De l'air à 54 C est introduit par pompage dans l'entrée 52 et l'on fournit de la farine à une température de 34,4 C et avec une teneur en humidité de 14,6 pour-cent à la buse 50. Le mélsnge d'air et de farine, après avoir traversé une conduite 28, arrive à une section de refroidissement , non représentée, dans laquelle est admis de l'air refroidi et débarrassé de son hunidité. On recueille de la farine ayant une température de 10 C et une te- neur en humidité de 12 pour-cent. La température de l'air, à
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l'échappement , est de 7,78 C.
On peut utiliser pour le fonctionnement des séchoirs suivant l'invention la remise en circulation d'une partie des gaz que l'on ramène de l'endroit où elle a été recueillie jusqu'à la soufflante, en anont de la tuyère d'écoulement. Par cons::- quent, sur la figure 5, une partie des gaz venant de la conduite 78 peut être ramenée vers la conduite 70 ; sur la figure 6, des gaz venant de la conduite 33 peuvent être ramenés vers la conduite 20 et , sur la figure 9 , des gaz venant de la conduite 60 peu- vent être ramenés vers la soufflante alimentant la conduite 52.
Cela est particulièrement important dans les cas où il est fait usage de matières sensibles à la chaleur ; les gaz d'échappèrent froids, chargés d'humidité, refroidissent les gaz du brûleur et, par conséquent, abaissent la température du gaz fourni à la tuyère d'échappement. Cela est important dans le séchage du char- bon, étant donné que le gaz remis en circulation est en grande partie de l'anhydride carbonique et de l'azote, ce qui élimine le risque d'explosion qui a été un risque courant des séchoirs par évaporation rapide pour le charbon finement divisé.
Un autre mode de fonctionnement comprend le refroidisse- ment des gaz quand ces derniers quittent la tuyère d'écoule:!lent et avant qu'ils ne soient recueillis. Cela empêche la décomposi- tion des matières sensibles à la chaleur.
Le tableau suivant illustre les résultats du séchage par pulvérisation de toute une variété de solutions aqueuses et de bouillies effectué sur un appareil analogue celui qui est représenté sur la figure 9, mais avec une buse de pulvérisation du genre de celle qui est représentée sur la figure 4. La ten- pérature d'entrée mentionnée sur le tableau estla température de l'air au point d'injection du liquide et la température de sortie est celle qui a été mesurée au collecteur.
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<tb> Mélasse <SEP> @ <SEP> 75 <SEP> 649 <SEP> 54 <SEP> 50
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<tb> Chlorure <SEP> deopolyvinyle <SEP> @ <SEP> 30 <SEP> 649 <SEP> 54 <SEP> 55
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@ L'astérique indique un refroidissement par air froid du pro- duit avec 300 à 400% d'excès d'air.
En outre, le procédé et l'appareil se sont Montrés applicables à la concentration de solutions telles que le carbona- te de sodium, de 26% à 32% en poids, de l'acide phosphorique, de 48% à 70% en poids.
Des produits supplémentaires sèches par évaporation rapide comprennent le charbon, le bois, la pulpe, le carbonate de sodium calciné et le sable. Le procédé et l'appareil suivant l'invention peuvent servir aussi pour la calcination de la. pierre à chaux, pour la transformation du bicarbonate de sodiu.'. en car- bonate de sodiun calciné, pour enlever l'eau de cristallisation de sels, pour le refroidissement rapide de gaz de réaction chauds pour des réactions gaz-solide ainsi que pour d'autres procédés de transmission de chaleur par contact.
La Fig. 11 donne une courbe représentant les variations de la vitesse du gaz et de la vitesse des particules dans une opé- ration moyenne de séchage par pulvérisation suivant la présente invention. Ainsi qu'on le voit, le gaz se déplace toujours à une vitesse plus grande que celle de n'importe laquelle des /
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particules jusqu'à la région X dans laquelle le gaz, qui ralentit rapidement, est rattrapé par les particules solides qui ne peuvent pas ralentir aussi rapidement. Dans le cas de la tuyère d'écoule- ment représentée, cela se produit entre 32,5 et 35 cm en aval dans la tuyère ou entre 20 et 22,5 cm en aval du point d'injection.
La courbe 1 représente les variations de la vitesse du gaz, les courbes 2 et 3 sont des courbes analogues concernant respective- ment la vitesse des petites particules et la vitesse des grandes particules.
Ainsi qu'on l'a fait remarquer, il ne se produit pas de conditions de turbulence dans la tuyère d'écoulement suivant l'invention. On pensait autrefois que la turbulence était essen- tielle pour l'obtention d'un contact efficace et d'une transmission de chaleur efficace dans les séchoirs. Mais, dans un état de turbulence, il est impossible d'avoir des vitesses uniformes des particules ce qui, en conséquence, augmente le temps .':oyen néces- saire pour effectuer la transmission de chaleur. Dans les condi- tions naturelles d'écoulement suivant la présente invention, il se produit des vitesses de particules uniformes et il est, en conséquence, possible de régler le mouvement relatif entre le gaz et les particules.
La buse d'alimentation , pour l'alimentation en matières solides ou en matières liquides dans la buse d'écoulement suivant l'invention, est de préférence réglable axialement à l'intérieur de la tuyère d'écoulement afin que l'injection, pour une matière donnée, puisse se produire au point optimum pour donner les dimensions de particules désirées.
Bien que l'invention ait été décrite dans le cas par- ticulier de certaines réalisations et de certains exemples, ces exemples doivent être considérés simplement comme illustrant l'invention et non comme la limitant.
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Methods and apparatus for physical or chemical reaction between gases and solids or liquids.
The present invention relates to a method and apparatus for contacting gases with solid or liquid materials and, in particular, for contacting solid or fluid materials, consisting of particles, with a stream of. gas subjected to acceleration, to effect heat transport, drying or other interaction between gases and solids or liquids.
The apparatus of the invention is particularly applicable to spray drying and rapid evaporative drying of materials, or else for heating or cooling effectively a reduced particulate matter.
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The invention is particularly applicable in the manufacture of Portland cement, anhydrous soda ash, lime and for the drying of chemicals, coal, sand and food or agricultural products.
The method according to the invention is characterized in particular by the fact that a gas is passed at a high speed through a zone whose cross section decreases so that the gas is accelerated in this zone and one injects a liquid solid particle fluid in the gas stream under acceleration, this injection being made generally transversely to the direction of az flow so that the discrete particles of matter enter - born and accelerated by the current of gas following the natural flow of the latter.
The apparatus for implementing the method according to the invention is characterized in that it comprises a pipe whose section decreases, a groove in communication with the end of small diameter of the pipe, means for expelling gas at a high velocity successively through the conduit and through the throat, and means for injecting a solid or liquid material into the conduit in a direction which is generally oriented transversely through relative to the axis of the pipe.
According to one embodiment, the injection means may be a base for spraying liquid into the pipe in a direction oriented transversely to the axis of the latter where it may be a distributor for injecting solids into the pipe. such a direction.
The apparatus described below and comprising the pipe the cross section of which decreases and the groove in communication with said pipe is referred to as a "flow nozzle".
The means for injecting liquid material is referred to as the "feed nozzle" and the means for injecting solids is referred to as the "distributor". The drying
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Spray drying, used herein, relates to the drying or concentration of liquid or boiled solutions, while rapid evaporative drying relates to the removal of moisture from wet solids.
The invention also extends to the characteristics resulting from the above description and the accompanying drawings as well as to their possible combinations.
The description relates to embodiments shown in the drawings, in which -: - ---- - Figure 1 is a longitudinal sectional view of a flow nozzle and the structure with feed nozzles
Who accompanies it.
- Figure 2 is a longitudinal section of another embodiment of the flow nozzle according to the invention, showing a different structure of the supply nozzle.
- Figure 3 is a longitudinal section of another embodiment of the flow nozzle according to the invention, showing another variant of the feed nozzle structure.
FIG. 4 is a longitudinal section of a flow nozzle according to the invention showing a spray feed nozzle and schematically showing the paths of the material injected into the flow nozzle.
- Figure 5 is a schematic representation of a dryer using the principles of the invention.
- Figure 6 is a schematic representation of a coal dryer using the principles of the invention.
- Figure 7 is a view partly in elevation and partly in longitudinal section, showing another embodiment of a flow nozzle and solids supply means for said nozzle.
- Figure 8 is a plan view of the structure shown in Figure 7.
- Figure 9 is a view partly in elevation and partly
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in longitudinal section, showing a vertical dryer using the principles of the invention.
- Figure 10 is a graphical representation, showing the relationship between the gas velocity, the temperature and the cross-sectional area of a flow nozzle according to the invention for positions chosen axially along the nozzle of flow.
- Figure 11 is a representation similar to that according to Figure 10 and further showing the speed of solids.
In FIGS. 1 to 3, gas, driven at a high speed, is supplied to a pipe 20. This gas moves towards the converging part 21, the end 22 of which, of large diameter, is in communication. with the pipe 20. The converging part 21, having a cross section which decreases from the end 22 of the large diameter to the groove 23, accelerates the flow of gas which passes through it. Solids or liquids feed nozzles which are placed in the converging zone 21 of the main nozzle and upstream of the throat 23. In Figure 1, several nozzles 25 are spaced evenly around the periphery of the main nozzle and they inject. the material inwards, past the center of the main nozzle and towards the converging walls of the latter.
The nozzles 26 and 27 shown respectively. in Figures 2 and 3 inject the material outwardly from the center of the main nozzle towards the walls of the latter. The material, whether solid or liquid, is therefore injected into the gas which accelerates in the main pipe and this injection takes place, on the whole, transversely to the direction of flow. ment of gas. The groove 23 of the main nozzle is in communication with a diffusion line 28 which straightens the flow of gas and particles.
Line 28 may have a uniform cross section, but it preferably has an increasing cross section, in order to allow gas to recover.
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pressure after it has passed through the groove 23 and consequently in order to reduce the power required for pumping the gas.
FIG. 4 schematically illustrates the action of the gas stream, subjected to an acceleration, on the injected material. The nozzle 27 provided a thin, flat, saucer-shaped sheet of liquid in the converging zone. The spray plane is perpendicular to the axis of the main nozzle. When the gas stream, subjected to an acceleration, comes into contact with the blade or sheet of liquid, it corrupts by bending said sheet to then shear it into tiny droplets which are entrained by the flow of gas as indicated by the arrows in figure 4.
The injected material is a solid or a liquid material. The solids naturally are reduced to particles or pulverized. The liquids can be injected by means of a spray nozzle and in this case the liquid is reduced to particles when it comes into contact with the accelerated gas or with a sheet of liquid, as in the case of Figure 4, in which the gas stream disperses the foil or tiny droplets. Accordingly, the injected material can be defined, generally, as "a fluid material forming discrete particles". This definition is understood to encompass separate solids and liquid droplets and liquid streams or sheets which may be sheared into discrete droplets.
The precise shape of the converging part of the flow nozzle does not appear to have a critical influence, but the convergence must be sufficiently accentuated for the gas to be accelerated over the entire extent of the converging zone. In other words, the speed of the gas must gradually increase throughout the converging zone. The speed, for a typical installation, is shown in figure 10 and it should be noted that the increase
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speed occurs at a faster rate than that of linear variation, despite the fact that the temperature of the gas decreases, which consequently decreases the volume of the gas as the gas passes through the converging part.
The nozzles should direct the material transversely to the direction of gas flow, i.e., towards the walls of the converging zone. No material deposits are produced on the walls 21, nor on the walls of the part 23 corresponding to the groove, nor on the walls of the diffuser 28. The converging stream of gas entrains the particles as indicated. generally by the arrows in Figures 1 to 4. It was found in the diffusion line 28, in which the gas flow straightens out, that the particles having a greater mass concentrating along the line. the axis of the pipe, while fine particles concentrate at the periphery of the pipe. This provides a convenient way of classifying the particles according to their mass.
It suffices for this to collect separately, on the one hand the particles which are close to the axis of the pipe and, on the other hand, the particles which are close to the periphery of the latter.
If the material is injected axially, downward, towards the groove or if the material is injected transversely to the gas flow in the groove 23, the objects of the invention are not achieved and the advantages of the invention are not obtained. The result of such practices is to produce marked turbulence states, low heat transmission, and in the case of drying wet solids, plasters or adherent masses of wet material against the walls of the apparatus. .
Accordingly, it is necessary that at first the material comes into contact with the gas stream at a point where the gas stream is accelerated and this en-
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The contact is made in an oriented direction, generally parallel to the direction of az flow, such that the material has an elongated path and remains in the converging zone long enough to achieve this. desired contact with gas.
The flow through the flow nozzle, throat and other lines is a natural, turbulence-free flow. Turbulence should be avoided in the practice of the invention because it results in a decrease in the capacity of the apparatus, in non-uniform drying or non-uniform heat transmission and in adhesive bonding. material on the walls of the appliance.
In practicing the invention, a wide range of flow conditions can be adopted. In general, the liquid material supplied to the nozzle is under relatively low pressure (on the order of 1.757 to 7.030 kg / cm2 at the nozzle). The solids are brought into a gaseous suspension at. relatively low pressure or they can be sprayed from a rotating distributor. To ensure the supply of liquids, it is possible to use, in addition to the nozzle shown in Figures 1 to 4, a rotary device. In a typical installation, an outline of which has been given in Figure 10, the large diameter end of the converging portion has an internal diameter of 508 mm and the groove has an internal diameter of 9 mm.
The shim length of the converging part is 203 mm. Air at a temperature of 954 C arrives at a speed of 15.25 m / sec. while the temperature drops from 954 C to 93 C. In the example shown in Fig. 10, only water is supplied to the nozzle. For particular operations, the speed of the gas at the inlet of the converging part can vary from 7.62 to 30.48 m / sec for corresponding values of 76.2 to 304, $ m / sec at the throat.
The pressure drop produced by passage through the device may be between 508 to 3550 mm water column for
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liquids. and between 254 and 7620 mm water column for solids.
As shown in Figure 10, all of the heat transfer occurs substantially in the converging part.
It is obvious that there are very high heat transmission rates in the converging zone.
It is therefore possible to evaporate huge amounts of water, for example, in a space of very small volume. Dryers constructed in accordance with the present invention have provided heat absorption rates of 80 million to 800 million B.T.U. / hour / cubic meter.
The flow nozzle and accompanying lines are made from suitable metals. For applications involving high temperatures, preference is given to stainless steel coated with a refractory material.
Figure 5 shows an application of the invention useful for spray drying solutions and slurries.
Hot gases at a high velocity from a burner and blower device, not shown, are supplied to line 70. The material to be dried is supplied through pipe 72 to feed nozzle 73. and it is injected into the gas stream, subjected to acceleration, in a direction which is oriented transversely to the direction of gas flow. The converging part of the flow nozzle is designated by the reference 71 and the groove is designated by the reference 74. All the heat exchange takes place during the time during which the injected material reaches the throat 74 and the dried material is carried in part 75 which constitutes the diffuser and of the latter in part 76 which constitutes the collector.
The dried material empties into the hopper 82 and can be removed by means of the pipe 83, by a current of air supplied to the pipe 89. After leaving the manifold, the gases are purified in the scrubber 77, this operation aimed at removing the fines in suspension and the gases escaping through
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line 78. The washing liquid is supplied to the upper part of the scrubber via a pipe 79 and by means of a pump 80 and the recovered fines are collected in the collector 81. The liquid of wash which floats is recirculated to the scrubber, in a manner which is well known in the art materials.
As an example of materials which can be dried in the apparatus shown in FIG. 5, there may be mentioned slurries of clay and limestone which are dried to obtain the material which is then calcined to form the mixture. Portland cement slag and silica gel slurries.
Figure 6 illustrates a pulverized charcoal dryer employing the principles of the invention. Wet pulverized carbon suspended in a stream of air is supplied, via line 24, to base 29 and is directed, outside the latter, towards the converging walls of the nozzle. flow 21. Hot gas at a high velocity is supplied to the section.
20 by means of a burner 30 and a blower which supplies air to the pipe 20. The coal is dried in the converging part
21 and it passes through the diffusion line 28 where the fines are concentrated in the vicinity of the periphery of said conduit while the heavier particles are concentrated in the vicinity of its axis.
The gas and the carbon particles suspended in the gas pass through an enlarged pipe 31, in which their speed is reduced, and through the collector 32. The wet gases, cooled, escape through the pipe 33 where the 'they can be washed optionally with water to remove suspended fines. The collector deposits the heavy particles collected in the vicinity of the axis of the pipe 31 on the conveyor belt 34. At least part of the fines collected at the periphery of the pipe 31 is brought through a chute 35 to a zone of suspension. - board 36 where the fines are collected and suspended in a current of air entering 37 to then arrive at the burner 30 through pipe 38.
Therefore, the charcoal dryer
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The charcoal efficiently classifies it and, moreover, a certain part of the fines is burned with a view to developing the heat necessary for drying the charcoal. In practice, one may prefer the solution of supplying the wet coal to the dryer by means of the conveyor 34, removing only part of the coal to feed the dryer and leaving the remainder of the coal on the conveyor. The portion of coal passing through the dryer is collected as a dry matter and deposited on top of the remainder of the wet coal in the conveyor to provide coal having a satisfactory moisture content.
The following description is an example of the operation of the coal dryer according to FIG. 6. In the apparatus of FIGS. 5 to 7, 78,700 tons per hour of wet coal containing 18% water were dried. . The necessary heat was provided by burning 0.950 tonnes per hour of dried fines. The amount of evaporated water amounted to 10,700 tons per hour and for this it took 536 large calories per kg of evaporated water. The temperature at burner mouth 49 was 1649 C. Blower 31a supplied 557 kg of air per minute, giving nozzle 29 a temperature of 816 C. 'performed at a temperature of 104 C.
Figures 7 and 8 illustrate another form of contact apparatus, disposed horizontally. In this case, the flow nozzle does not have a symmetrical conical shape but has a passage. The gases to be brought into contact arrive through a pipe with a rectangular cross section having an upper part and a lower part which converge towards each other and which terminate in a groove having a limited cross section, defined by the elements. 76 and 85. The lower plate 84 is hinged at 69 with the lower part of the pipe 65. The upper plate 67 is hinged with the upper part of the rectangular pipe 88 at 68.
The plate 85 is hinged, in a similar manner, with the lower part of the conduit 88 at 86. It is evident from the figure.
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Figure 7 which can be adjusted and varied the cross-sectional area of the groove portion by a movement of plarues 67, 84 and 85.
The upper plate 67 carries an element 66 which is directed upwards and which is fixed to said plate. A slit 64 running across the line is used for the introduction of solid material into the flow nozzle. Uniform admission of this solid material through slot 64 can be achieved by means of a conveyor belt 61 passing over a control drum 62. Of course, other forms of conveyor can be used instead of belt conveyors. conveyors comprising vibrating feeders.
The conveyor and the slot 64 may be contained in a casing, not shown, inside which a pressure can be made to prevent the escape of materials or to preserve the atmosphere inside the nozzle.
The apparatuses of Figures 6 and 7 are used to dry wet solids such as coal, sand and the like which are uniformly fed to slot 64 by the conveyor. The material which falls through the slit descends by gravity in a direction oriented transversely to that of the gas stream and is accelerated by the gas stream, accelerated and moved through the groove in a direction. . natural, non-turbulent flow.
The dried material is collected downstream in line 88, according to the description already given above.
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The flow nozzle of Figs. 7 and 8 presents, as we have seen, a groove whose dimensions can be adjusted so that it is possible to control efficiently and closely the operation of the operation but it is also possible to choose dimensions corresponding to a very large capacity.
It is obvious that the channel can be given the width allowing the necessary capacity to be obtained. As with the conical nozzle, substantially all of the heat transfer or drying takes place between the point of solids introduction and the throat.
Fig. 9 shows a dryer or contact apparatus of the vertical type. Air from a blower (not shown) is supplied to housing 53 through line 52. Air descends through line 20 and through flow line 21,28. A burner, generally designated by the reference 54, is in communication with the pipe 20. The pipe
28 opens into a collector 55.
The material to be treated is fed through a pipe 24 to a nozzle where it is directed outwardly towards the converging walls of the flow nozzle. In the embodiment shown for drying solids such as charcoal etc, the solids are fed onto a turntable.
The supply pipe 24 is preferably contained within a water jacket 51, as shown. The dried or treated matter is collected in the collector 55 and periodically removed at 56a by means of a rotary lock 56. The gas, containing fines, is removed from the collector 55 by a pipe 57 which leads it to a second manifold 58. Fines are removed at 59 and gas escapes at 60. Manifold 58 may be a cyclone type separator or other separator. The gases escaping at 60 can be passed through a wet scrubber, if desired.
The dried contents 87, collected in the quadrant
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upper part of the air lock 56, serve to provide an air mattress to the lower part of the manifold 55. Therefore the air moving downward at a relatively high speed in the manifold "jostles" the material in the manifold. the airlock and passes upwards. This slows down the particles and prevents them from dispersing or compacting in the air lock.
The following is an example of drying using the apparatus of Fig. 9. The nozzle 50 of the dryer of Fig. 8 was provided at a gauge pressure of 2.812 kg / cm2, 1911 kilograms per hour. a silica slurry (containing 8 percent silica, 2 percent salt and 90 percent water and prepared by acid hydrolysis of sodium silicate. Air was supplied to inlet 52 at the rate of 86.975 kg per minute and 54.119 m3 per hour were burned in the burner relative to the normal conditions of temperature and pressure of natural gas. The temperature at the nozzle was 982 C and the temperature of the gas. exhaust in the manifold was 132 ° C. The output was 270 kilograms per hour, of silica gel containing 30 percent water.
The fuel expenditure was 633 large calories per kilogram of evaporated water to which must be added 42 / hp to operate the blower and the pump intended to supply the slurry to the nozzle.
Other applications of the apparatus of Figure 9 include cooling and drying flour. Air at 54 C is pumped into inlet 52 and flour at a temperature of 34.4 C and with a moisture content of 14.6 percent is supplied to nozzle 50. The mixture of air and flour, after passing through a pipe 28, arrives at a cooling section, not shown, into which is admitted cooled air and freed of its moisture. Flour having a temperature of 10 ° C. and a moisture content of 12 percent is collected. The air temperature, at
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the exhaust, is 7.78 C.
It is possible to use for the operation of the dryers according to the invention the recirculation of a part of the gases which are brought back from the place where it was collected to the fan, in front of the flow nozzle. . Therefore: - quent, in Figure 5, part of the gas from line 78 can be returned to line 70; in FIG. 6, gases coming from line 33 can be returned to line 20 and, in FIG. 9, gases coming from line 60 can be returned to the blower supplying line 52.
This is particularly important in cases where heat sensitive materials are used; the cold, moisture-laden exhaust gases cool the burner gases and therefore lower the temperature of the gas supplied to the exhaust nozzle. This is important in the drying of coal, since the recirculated gas is largely carbon dioxide and nitrogen, which eliminates the risk of explosion which has been a common risk for dryers. by rapid evaporation for finely divided coal.
Another mode of operation involves cooling the gases as they leave the flow nozzle:! Slowly and before they are collected. This prevents decomposition of heat sensitive materials.
The following table illustrates the results of spray drying a variety of aqueous solutions and slurries carried out on an apparatus similar to that shown in Figure 9, but with a spray nozzle of the kind shown in Figure 4. The inlet temperature shown in the table is the air temperature at the point of liquid injection and the outlet temperature is that which was measured at the manifold.
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@ The asterisk indicates cold air cooling of the product with 300 to 400% excess air.
Further, the method and apparatus have been shown to be applicable to the concentration of solutions such as sodium carbonate, 26% to 32% by weight, phosphoric acid, 48% to 70% by weight. .
Additional rapid evaporative dry products include charcoal, wood, pulp, calcined sodium carbonate and sand. The method and apparatus according to the invention can also be used for the calcination of the. limestone, for the transformation of sodium bicarbonate. '. in calcined sodium carbonate, for removing water of crystallization from salts, for the rapid cooling of hot reaction gases for gas-solid reactions as well as for other methods of heat transfer by contact.
Fig. 11 is a graph showing the variations in gas velocity and particle velocity in an average spray drying operation according to the present invention. As can be seen, gas always moves at a speed greater than that of any of the /
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particles to the X region in which the gas, which slows down quickly, is caught up by the solid particles which cannot slow down as quickly. In the case of the flow nozzle shown, this occurs between 32.5 and 35 cm downstream in the nozzle or between 20 and 22.5 cm downstream of the injection point.
Curve 1 represents the variations in gas velocity, curves 2 and 3 are analogous curves relating respectively to the velocity of small particles and the velocity of large particles.
As noted, no turbulent conditions occur in the flow nozzle according to the invention. Turbulence was once thought to be essential for achieving efficient contact and efficient heat transfer in dryers. But, in a state of turbulence, it is impossible to have uniform particle velocities which, therefore, increases the time needed to effect heat transfer. Under the natural flow conditions according to the present invention, uniform particle velocities occur and it is therefore possible to control the relative motion between the gas and the particles.
The feed nozzle, for the supply of solids or liquids to the flow nozzle according to the invention, is preferably axially adjustable inside the flow nozzle so that the injection, for a given material, can occur at the optimum point to give the desired particle sizes.
Although the invention has been described in the particular case of certain embodiments and of certain examples, these examples should be considered merely as illustrating the invention and not as limiting it.