BRPI0608239B1 - método e aparelho para fluidificar um leito fluidificado - Google Patents

Abstract

método e aparelho para fluidificar um leito fluidificado. na presente invenção, quando fluidificando um leito fluidif içado, o qual forma um leito fluidif içado (3) de partículas sólidas dentro de um tanque (1), o gás de fluidificação é introduzido no leito fluidificado através de uma tubulação (7) na vizinhança da base de tanque (9), o fluxo de gás na tubulação (7) sendo direcionado substancial e continuamente para baixo. uma resistência de fluxo (10) a qual está disposta acima do leito fluidificado (3) está provida na tubulação (7).

Description

Relatório Descritivo da Patente de invenção para "MÉTODO E APARELHO PARA FLUIDIFICAR UM LEITO FLUIDIFiCADO" A presente invenção refere-se a um método para fluidificar um leito fluidificado, o qual forma um leito fiuidificado de partículas sólidas, em um tanque com uma base pela alimentação de um gás de fluidificação no leito fluidificado através de pelo menos um tubo, e a um aparelho para executar este método, Até o momento, os leitos fluidificados têm sido fluidificados pelo gás sendo suprido por baixo através de furos verticais abertos, de tubos de bocal com furos laterais com ou sem tampas ou placas porosas (conforme "Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems", Capítulo 6: Gas Dis-tributor and Plenum Design in Fluidized Beds páginas 155-176, Ed. W. C. Yang, Dekker, Nova York, 2003).

No caso de bocais do tipo de tampa, uma fluidificação uniforme é conseguida em virtude do fato de que cada bocal de tampa está equipado com uma perda de alta pressão em virtude de pequenas seções transversais de fluxo. As altas velocidades e os múltiplos desvios de fluxo de gás torna difícil que os sólidos penetrem para trás para dentro do suprimento de gás. Apesar de tudo, quando o suprimento de gás é desligado, uma fluidificação residual freqüentemente faz com que os sólidos penetrem na tampa, e estes sólidos não são geralmente novamente descarregados quando o aparelho é ligado novamente, o que pode mesmo fazer com que a tampa torne-se bloqueada. Medidas de drenagem então precisam ser executadas, as quais representam um problema de segurança ocupacional no caso de processos executados em uma alta temperatura.

As placas ou os tecidos porosos produzem uma fluidificação muito uniforme mas têm a desvantagem de que o meio poroso torna-se obstruído ao longo do tempo e não pode ser totalmente liberado novamente, ou que o meio poroso perde a perda de pressão ao longo do tempo como um resultado da erosão. Como no caso do distribuidor equipado com tampas ou bocais, é necessário prover a possibilidade de esvaziar o espaço através do qual o gás flui pelo menos para a eventualidade do rompimento do tecido.

Mais ainda, a temperatura de uso das placas porosas e especificamente dos tecidos é limitada. É conhecido da DE 33 40 099 do gás ser introduzido lateralmente para cima no leito fluidificado. No entanto, especificamente neste caso a penetração dos sólidos ocorre em uma extensão aumentada.

Alternativamente, o gás pode ser alimentado para o leito fluidificado por exemplo através de tubos pelo lado {DE 40 07 835 C2). Uma fluidi-ficação uniforme requer uma pluralidade de tubos, as extremidades dos quais estão uniformemente distribuídas ao longo da área de seção transversal. Além disso, é necessário assegurar que aproximadamente o mesmo fluxo volumétrico de gás flua através de cada tubo. Isto é então conseguido por cada tubo sendo provido com uma perda de pressão a qual assegura que o gás seja uniformemente distribuído. No caso de bocais os quais têm sido até o momento utilizados para este propósito, a perda de pressão é conseguida por um estreitamento significativo da ponta de bocal. Isto tem a desvantagem de uma alta velocidade de fluxo em contato direto com os sólidos, o que gera turbulência, leva à erosão na ponta de bocal e tensiona mecanicamente as partículas dentro do leito fluidificado. É também conhecido introduzir um meio adicional com o auxílio de um fluxo de gás projetado como um bocal de jato (DE 102 37 124). Neste caso, no entanto, o bocal não é utilizado para fluidificação.

Portanto, é um objetivo da invenção permitir a fluidificação uniforme de um leito fluidificado sem a possibilidade de partes da alimentação de gás tornar-se bloqueada pelos sólidos. Além disso, é pretendido impedir a erosão e/ou a fragmentação de partículas, A invenção atingiu este objetivo substancialmente por um método que tem as características da reivindicação 1 e um aparelho que tem as características da reivindicação 11.

Modalidades vantajosas da invenção ficam evidentes das reivindicações dependentes. A nova forma de fluidificação é distinguida pelo fato de que o fluxo de gás é guiado continuamente para baixo de um distribuidor acima do leito fluidificado e emerge do tubo na vizinhança da base de tanque. De a-cordo com uma configuração preferida da invenção o tubo não tem nenhum estreitamento na direção de fluxo abaixo da altura máxima até a qual os sólidos poderiam subir dentro do tubo, isto é, o tubo tem uma seção transversal a qual permanece constante ou alarga para baixo abaixo desta altura. A perda de pressão requerida para tornar a fluidificação mais uniforme é em cada tubo conseguida por uma resistência de fluxo (por e-xemplo um orifício) o qual, no entanto, em qualquer caso encontra-se em uma parte do tubo individual a qual permanece livre de sólidos. É preferível que a resistência de fluxo fique localizada fora do espaço de fluidificação, de modo que esta seja prontamente acessível. De acordo com a invenção, a perda de pressão na resistência de fluxo deve chegar entre 1KPa e 150 KPa (10 e 1500 mbar), de preferência entre 2KPa e 20KPa (20 e 200 mbar). A velocidade de saída do gás da extremidade inferior do tubo depende da sensibilidade dos sólidos no leito fluidificado e de seu tensiona-mento permissível. Se este for um sólido sensível, por exemplo quebradiço, e a fragmentação for indesejável, a velocidade deve ser selecionada ser tão baixa quanto possível. A velocidade de saída deve geralmente estar entre 2 e 50 m/s, de preferência entre 5 e 30 m/s.

Para ajustar os fluxos de gás em todos os tubos para serem absolutamente uniformes, a razão de pressão através do orifício pode ser ajustada para mais do que 2 para 1, isto é, a pressão absoluta a montante do orifício pelo menos dobra a pressão absoluta a jusante do orifício. Conse-qüentemente, um fluxo sônico é conseguido na seção transversal mais estreita do orifício. O fluxo sônico significa que o fluxo volumétrico dentro do tubo está precisamente definido independentemente das flutuações de operação e da velocidade de saída na extremidade inferior do tubo. Os fluxos volumétricos dentro dos tubos podem também opcionalmente ser determinados de tal modo que mesmo uma distribuição não uniforme definida desejada seja conseguida.

Os tubos podem ser introduzidos verticalmente ou em um ângulo em relação à horizontal. O ângulo neste caso é mais do que 1o em relação à horizontal, de preferência mais do que 30° em relação à horizontal Isto torna possível impedir que os tubos tornem-se bloqueados, ou então os sólidos os quais penetraram são facilmente soprados para fora novamente quando a fluidificação é iniciada.

Independentemente de seu ângulo de introdução, os tubos estão de preferência cortados horizontalmente na extremidade, de modo a permitir que o gás flua para fora tão distante para baixo quanto possível, isto é próximo da base do leito fluidificado, geralmente em uma distância menor do que 250 mm, de preferência uma distância menor do que 150 mm, desta.

Para aperfeiçoar adicionalmente o fluxo na saída do tubo, a extremidade de tubo pode estar provida com uma “aba de destacamento" no lado superior, a qual reduz a erosão do tubo causada pelo fluxo. Para reduzir o desgaste dos tubos, é possível selecionar um material resistente ao desgaste, por exemplo o aço inoxidável. Mais ainda, é possível impedir o desgaste no tubo por meio de uma solda constuída.

Este novo projeto permite que o distribuidor de gás do leito fluidificado seja simples e econômico na forma. Mais ainda, o projeto impede dos sólidos caírem através do distribuidor.

Para tornar fácil otimizar o desempenho de operação do leito fluidificado, é possível configurar a resistência de fluxo como um orifício perfurado cambiável entre dois flanges. Para aperfeiçoar adicionalmente a facilidade de manutenção, é adicionalmente possível que os próprios tubos de bocal sejam introduzidos no tanque através de peças de conexão com flanges de modo a facilitar a sua substituição. O método de acordo com a invenção é adequado para todos os leitos fluidificados, mas especificamente para aqueles nos quais o que é conhecido como queda através do bocal pode facilmente ocorrer, por exemplo se as partículas forem muito pequenas ou permanecerem no estado fluidificado por muito tempo após a fluidificação ter sido parada. A invenção está abaixo explicada em mais detalhes com base em modalidades exemplares e com referência ao desenho, no qual todas as características descritas e/ou ilustradas nas figuras formam o assunto da invenção, independentemente do modo no qual estas estão combinadas nas reivindicações ou do modo no qual as reivindicações são referidas. No desenho: figura 1 mostra um aparelho de acordo com a invenção para flui-dificar um leito fluidificado; figuras 2a, b mostram configurações alternativas das extremidades de tubo as quais abrem acima da base de tanque, e figura 3 mostra outra modalidade de um aparelho de acordo com a invenção. O aparelho para fluidificar um leito fluidificado o qual está dia-gramaticamente apresentado na figura 1 compreende um tanque 1 dentro do qual as partículas sólidas são introduzidas através de uma linha de alimentação 2. As partículas são sólidas, por exemplo, termicamente tratadas dentro do tanque 1 em um leito fluidificado 3 e então descarregadas novamente do tanque 1 através de uma linha de descarga 4. O gás de descarga produzido é descarregado através de uma linha de gás de descarga 5. O leito fluidificado 3 é fluidificado pelo suprimento de um gás de fluidificação, a composição e as propriedades, especificamente a temperatura, do qual depende do tratamento desejado das partículas sólidas. O gás de fluidificação é suprido através de um sistema de linha 14 o qual divide o gás de fluidificação, através de um distribuidor de gás (cabeçote) 6, entre uma pluralidade de tubos 7 distribuídos por exemplo na forma de um círculo. Na modalidade ilustrada na figura 1, os tubos 7 estendem-se substancialmente verticalmente de cima para dentro do leito fluidificado formado pelo leito fluidificado 3, e suas respectivas aberturas de saída 8, as quais são cortadas horizontalmente, abrem para dentro do leito fluidificado 3 logo acima da base 9 do tanque 1. A distância entre as aberturas de saída 8 e a base de tanque 9 é, por exemplo, de 100 ou 200 mm.

Nos tubos 7, um orifício perfurado 10 está em cada caso provido como uma resistência de fluxo acima da região a qual pode ser alcançada pelas partículas sólidas do leito fluidificado 3. O orifício perfurado 10 está, por exemplo, preso entre dois flanges 11, de modo que este possa ser facil- mente substituído de modo a otimizar as propriedades de operação e/ou para um trabalho de manutenção ou reparo. A abertura de passagem do orifício perfurado 10 pode ser variável, de modo a ajustar a perda de pressão e portanto a qualidade de distribuição uniforme do gás. Dada uma pressão de admissão suficientemente alta, o diâmetro do orifício perfurado 10 pode alternativamente ser ajustado de tal modo que uma razão de pressão de pelo menos 2:1 seja produzida no orifício, e um fluxo sônico seja conseguido na menor seção transversal.

Na modalidade ilustrada, os orifícios perfurados 10 ficam fora do tanque 1. No entanto, estes também podem estar dispostos dentro do mesmo, desde que seja assegurado que as partículas sólidas não possam subir tão distante quanto a resistência de fluxo e bloqueá-la e/ou causar desgaste a esta.

Ao invés da disposição vertical dos tubos 7 ilustrados na figura 1, os tubos 7 podem também ser inclinados. As figuras 2a e 2b ilustram e-xemplos de uma disposição de tubo inclinado deste tipo, nos quais os tubos 7a e 7b estão em um ângulo de aproximadamente 30° (25°-35°) em relação à horizontal.

Para aumentar a resistência à erosão em relação ao fluxo de gás, a seção transversal do tubo é engrossada na região da abertura de saída 8a ou 8b. Na modalidade mostrada na figura 2a, neste caso um espes-samento de material produzido por exemplo por uma solda acumulada 12 está provido ao redor da região de abertura do tubo 7a.

Em contraste, na variante mostrada na figura 2b, existe meramente uma "aba de destacamento" 13 provida no lado de topo, já que o gás em qualquer caso sobe e é guiado afastando do tubo 7b pela aba de destacamento 13.

Quando utilizando o aparelho mostrado na figura 1 (ou as variantes mostradas nas figuras 2a ou 2b), o gás de fluidificação é introduzido no leito fluidificado 3 através dos tubos 7 e fluidifica as partículas sólidas. A perda de pressão trazida pela resistência de fluxo produz uma fluidificação uniforme, enquanto é assegurado que as partículas sólidas não podem subir tão distante quanto a resistência de fluxo e bloquear o tubo 7. A figura 3 mostra outro exemplo da utilização do método de flui-dificação de acordo com a invenção para o transporte de sólidos no que são conhecidos como 'Vasos de envio de elevação por ar11. Um sistema de elevação por ar é utilizado para o transporte pneumático de 100 t/h de hidrato de alumínio com diâmetros de grão entre 30 e 170 pm por uma altura de a-proximadamente 60 m. O vaso de envio de elevação por ar 20 mostrado na figura 3 é para este propósito utilizado para alimentar o transporte. O tanque 21 tem um diâmetro de 1200 mm com um tubo de transporte 22 centralmente disposto com um diâmetro de 400 mm. Um fluxo de ar de transporte de aproximadamente 6000 m3/h (cntp) é passado através do bocal central 23 e carrega os sólidos com o mesmo. Para conseguir um transporte uniforme, os sólidos circundantes precisam ser fluidificados, de modo que estes possam sempre fluir suficientemente para dentro da região do bocal central 23. Isto requer um fluxo de gás de fluidificação de 300 m3/h (cntp). O tanque é fluidi-ficado através de 30 bocais de tubo 24 (largura nominal de 25,4 mm (1 pol.)), as extremidades inferiores dos quais estão dispostas em dois anéis concêntricos de diferences diâmetros, de modo que o espaço anular entre o tubo de transporte 22 e a parede de tanque 25 seja uniformemente suprido com ar. Os tubos de fluidificação 24 são supridos com ar de um distribuidor comum 26 o qual se encontra acima da região a qual pode estar carregada com sólidos. Em cada tubo 24, existe um orifício 27 logo abaixo do distribuidor 26, o qual com uma perda de pressão de 150 KPa (150 mbar) é projetado de tal modo que cada tubo 24 recebe virtualmente o mesmo fluxo volumétrico de ar.

Surpreendentemente, foi descoberto que esta forma de fluidificação é superior à fluidificação de fundo padrão com um tecido poroso em termos da uniformidade de transporte de sólidos. É virtualmente impossível que os tubos de fluidificação tornem-se bloqueados. Não existe necessidade das medidas de esvaziamento padrão.

LISTAGEM DE REFERÊNCIA 1 Tanque 2 Linha de Introdução para Sólidos 3 Leito Fluidificado 4 Linha de Descarga para Sólidos 5 Linha de Gás de Descarga 6 Distribuidor de Gás 7 Tubo 8 Abertura de Saída 9 Base de Tanque 10 Orifício Perfurado 11 Flange 12 Solda Acumulada 13 Aba de Destacamento 14 Sistema de Linha 20 Vaso de Envio de Elevação por Ar 21 Tanque 22 Tubo de Transporte 23 Bocal Central 24 Tubo de Fluidificação 25 Parede de Tanque 26 Distribuidor 27 Orifício REIVINDICAÇÕES

Claims (19)

1. Método para fluidificar um leito fluidificado (3) de partículas sólidas, em um tanque (1) com uma base (9) pela alimentação de um gás de fluidificação no leito fluidificado (3) através de pelo menos uma tubulação (7), em que o gás de fluidificação é introduzido no tanque (1) através da tubulação (7) na vizinhança da base de tanque (9), caracterizado pelo fato de que o fluxo de gás na tubulação (7) é direcionado continuamente para baixo e que uma perda de pressão é gerada na tubulação (7) em uma parte da dita tubulação (7) acima da altura máxima até a qual os sólidos poderíam subir dentro do tubo, e sendo que a perda de pressão é gerada por um orifício perfurado cambiável, e em que uma perda de pressão é gerada na tubulação (7) acima do leito fluidificado (3) no qual o sólido é fluidificado dentro do tanque (1).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a perda de pressão pode ser selecionada de acordo com as demandas impostas sobre a qualidade de distribuição uniforme do gás entre as tubulações (7).

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a perda de pressão na tubulação (7) chega até entre 1 KPa e 15 MPa (10 e 1500 mbar).

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a perda de pressão na tubulação (7) está entre 2 KPa e 20 KPa (20 e 200 mbar).

5. Método, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a perda de pressão na tubulação (7) é gerada por uma resistência de fluxo (10), e que a velocidade de fluxo na seção transversal mais estreita da tubulação é igual à velocidade do som.

6. Método, de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a perda de pressão na tubulação (7) é gerada por uma resistência de fluxo (10), e que a razão de pressão na resistência de fluxo (10) é > 2:1, com base nas pressões absolutas a montante e a jusante da resistência de fluxo (10).

7. Método, de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que os fluxos volumétricos nos tubos (7) são ajustados de modo que uma distribuição não uniforme definida do gás de fluidifi-cação introduzido no tanque (1) é produzida.

8. Método, de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a velocidade de saída do gás de fluidificação da tubulação (7) está entre 2 e 50 m/s.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a velocidade de saída do gás de fluidificação da tubulação (7) está entre 5 e 30 m/s.

10. Aparelho para fluidificar um leito fluidificado (3), que tem um tanque (1), para o qual os sólidos são alimentados através de uma linha de alimentação (2) e do qual os sólidos são removidos através de uma linha de descarga (4), que tem um sistema de linha (14) para alimentar um gás de fluidificação no leito fluidificado, e que uma linha de gás de descarga (5) para descarregar o gás de descarga, especificamente para executar um método como definido em uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma tubulação (7) para suprir o gás de fluidificação é introduzida continuamente para baixo dentro do tanque (1) e na vizinhança da base de tanque (9) tem uma abertura (8) para a saída do gás de fluidificação e que uma resistência de fluxo (10) a qual está disposta acima do leito fluidificado (3) está provida na pelo menos uma tubulação (7), sendo que a resistência de fluxo é formada por um orifício (10), e em que a abertura de saída (8) da tubulação (7) está disposta < 250 mm, de preferência < 150 mm, acima da base de tanque (9).

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a resistência de fluxo (10) está presa por meio de uma conexão flangeada (11) na tubulação (7).

12. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que a tubulação (7a, 7b) tem um ângulo de inclinação em relação à horizontal de 1o a 90°, de preferência > aproximadamente 30°.

13. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 a 12, caracterizado pelo fato de que a tubulação (7) não tem nenhum estreitamento abaixo da região a qual pode ser alcançada pelos sólidos.

14. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 a 13, caracterizado pelo fato de que a tubulação (7) tem uma abertura de saída horizontal (8) na sua extremidade aberta.

15. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 a 14, caracterizado pelo fato de que a tubulação (7a), na região de sua abertura de saída (8a), tem um espessamento de material externo, especificamente uma solda construída (12).

16. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 a 15, caracterizado pelo fato de que na região de sua abertura de saída (8b) a tubulação (7b) tem especificamente uma aba de destacamento (13) direcionada para cima.

17. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 a 16, caracterizado pelo fato de que a tubulação (7) está presa no tanque (1) por meio de peças de conexão de flange (11) providas sobre o tanque (1).

18. Aparelho, de acordo com uma das reivindicações 10 a 17, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade de tubulações (7) está provida dentro do tanque (1), distribuída na forma de um círculo.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que as tubulações (7) estão providas distribuídas em uma pluralidade de círculos de preferência concêntricos dentro do tanque (1).