Verfahren zum elektrischen Erhitzen eines Bettes aus einzelnen festen, elektrisch leitenden Stoffteilchen Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum elektrischen Erhitzen eines Bettes aus ein zelnen festen, elektrisch leitenden Stoffteilchen unter Benützung eines die Aufwirbelung des Bettes bewirken den Gasstrahles, sowie auf die Anwendung des Ver fahrens.
Das Verfahren zum Aufwirbeln von Betten körniger Stoffe, welche zu grob sind, um fliessfähig gemacht wer den zu können, ist in der USA-Patentschrift 2 786 280 beschrieben.
Das elektrische Erhitzen von Fliessbetten feinkörni ger Teilchen ist bekannt, unterliegt jedoch gewissen Beschränkungen. Im allgemeinen ist es damit nicht möglich, Teilchen, die grösser sind als 0,84 mm (20 Maschen fliessfähig zu machen, wogegen es ohne weiteres möglich ist, Teilchen bis zu 2,5 mm Korn grösse aufzuwirbeln.
Weiterhin kann man zum Aufwirbeln dieser ver hältnismässig grossen Teilchen eines gegebenen Mate rials Gasgeschwindigkeiten anwenden, die etwa zehn mal grösser sind als die Geschwindigkeit des Gases, welches die kleineren Teilchen des gleichen Stoffes fliessfähig machen soll. Die Aufwirbeltechnik steht also dort zur Verfügung, wo eine Reaktion zwischen einem Gas und einem heissen festen Körper eine kürzere Berührungszeit erfordert, als sie in einem Fliessbett erhalten werden kann.
Endotherme Reaktionen bei hohen -Temperaturen in einem Wirbelschichtbett würden schwierige Pro bleme des Wärmeüberganges mit sich bringen, wenn man die Wärmeenergie durch die Wandungen des Reaktionsgefässes hindurch zuführen müsste. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines wirksamen und zweckmässigen Verfahrens für die Zu fuhr von Wärmeenergie an der Stelle, wo sie gebraucht wird, d. h. also in dem Materialbett selbst.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren schickt man einen elektrischen Strom durch das aufgewirbelte Bett zwischen mindestens einer Kopfelektrode und wenig stens einer Bodenelektrode, wobei die Bodenelektrode mit dem Bett in Kontakt steht und wobei die Kopf elektrode von aufgewirbelten Teilchen aus einem das Bett durchsetzenden und durch den Gasstrahl gebilde ten Kanal getroffen wird.
In der Regel wird ein solches Wirbelschichtbett mit nur einem Strahlkanal betrieben, wobei dann auch nur eine einzige Kopfelektrode ver wendet wird. Wirbelschichtbetten mit mehreren Strahl kanälen und der entsprechenden Anzahl von Kopf elektroden sind unter der Voraussetzung zulässig, dass die Gaszufuhr zu den einzelnen Strahlkanälen für jeden einzelnen getrennt geregelt wird. Wirbelschichtbetten mit einem einzigen Strahlkanal sind jedoch im Betrieb und in der Regelung einfacher zu bedienen und werden deshalb bevorzugt ganz allgemein verwendet.
Die vor liegende Erfindung wird daher im nachstehenden in ihrer Anwendung auf Wirbelschichtbetten mit nur einem einzigen Strahlkanal und einer einzelnen mit letzterem in Berührung stehenden Elektrode beschrie ben. Wie jedoch bereits oben angegeben wurde, ist die Erfindung ebenso auf Wirbelschichtbetten mit mehr als einem Strahlkanal und einer entsprechenden Anzahl von Kopfelektroden anwendbar.
Es kann während der Aufwirbelung des Bettes körniger fester, elektrisch leitender Stoffteilchen mittels eines Gases ein elektrischer Strom von solcher Stärke durch das Wirbelschichtbett geschickt werden, dass letzteres auf einer so hohen Temperatur gehalten wird, wobei in diesem Bett gleichzeitig eine chemische Reak tion durchgeführt und die Produkte dieser Reaktion aus den aus dem Wirbelbett abziehenden Gasen ge wonnen werden.
Diese chemische Reaktion besteht beispielsweise in der Aufspaltung von gasförmigen Kohlenwasser stoffen in Olefine, welche aus den abweichenden Gasen gewonnen werden können.
Zu den Beispielen für chemische Reaktionen, wel che gemäss der vorliegenden Erfindung in dem aufge wirbelten, elektrisch erhitzten Bett ausgeführt werden können, gehören weiterhin die Bildung von Cyanwas- serstoff bzw. Blausäure durch die Reaktion von Am moniak mit Kohle oder mit Kohlenwasserstoffen oder auch mit beiden gleichzeitig, die Bildung von Schwefel kohlenstoff durch die Reaktion von Kohle (d. h. die Kohlenteilchen des Bettes) mit Schwefeldämpfen oder mit Schwefelwasserstoff, die Reduktion von Kohlen dioxyd zu Kohlenmonoxyd sowie die Aufspaltung gesättigter Kohlenwasserstoffe in Olefinen, in Acetylen oder auch in beide Stoffe.
Die Erfindung ist für endo- therme Reaktionen mit kurzen Kontaktzeiten für optimale Ergebnisse von besonderem Wert, jedoch können auch andere endotherme Reaktionen, welche an sich Kontaktzeiten von mehreren Sekunden bei mässiger Temperatur erfordern, in wirksamer Weise bei höheren Temperaturen und kürzeren Kontaktzei ten ohne die Schwierigkeiten, welche mit der Über tragung der Wärme zu dem Reaktionsgemisch durch die Wandungen des Reaktionsgefässes hindurch ver bunden sind, durchgeführt werden.
Die Erfindung ermöglicht weiterhin die Durchführung exothermer Reaktionen mit niedriger Wärmeabgabe, wobei der Gesamtwärmebedarf des Reaktionsgefässes (d. h. die Differenz zwischen der messbaren Wärme der abziehen den und der eintretenden Gase plus den Strahlungs-, Konvektions- und Wärmeleitungsverlusten aus dem Reaktionsgefäss) grösser ist als die bei dem exothermen Verfahren entwickelte Reaktionswärme, so dass zusätz liche Wärmeenergie zugeführt werden muss.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an hand der Zeichnung erläutert. Die Zeichnung stellt einen Vertikalschnitt durch einen im Betrieb befindli chen Apparat dar mit einem Zylinder 1, der oben durch einen Deckel 2 abgeschlossen ist, durch welchen eine Elektrode 3 und ein Rohr 4 für ein Thermoelement hindurchgehen. Ferner gehen die Elektrode und das Rohr für das Thermoelement durch eine Führungs scheibe 5 hindurch, welche dazu beitragen soll, die beiden Teile an Ort und Stelle zu halten. Eine Öffnung 6 in der Führungsscheibe 5 und ein Gasauslassrohr 7 in dem Deckel 2 gestatten den Durchtritt der Gase aus dem darunter befindlichen Raum. Der Boden des Zy linders ist durch die Elektrode 8 abgeschlossen.
Diese Elektrode besteht aus einem zylindrischen Körper mit einem Innenraum 9 in Form eines auf die Spitze ge stellten Kegels und mit einer zentralen Bodenöffnung, in welche ein Einlassstutzen 10 für das zum Aufwirbeln des Bettes verwendete Gas eingesetzt ist. An der Elek trode 3 und dem Gaseinlass 10 sind elektrische An schlüsse 11 vorgesehen. Die Elektrode 8 ist an den Gaseinlassstutzen 10 angeschlossen. Der Strahlkanal, der aus einer verdünnten Suspension der körnigen festen Teilchen besteht, ist mit 12 bezeichnet, der um denselben angeordnete ringförmige Körper lose zu sammenhängender fester Teilchen mit 13.
Der Leerraumanteil im Strahlkanal ist selbst am oberen Ende desselben sehr hoch, und beläuft sich auf 60-95 %. Es ist daher gänzlich unerwartet, dass eine in eine Zone mit dieser geringen Festkörperdichte ein tauchende Elektrode über diesen bewegten Körper der anderen Elektrode den elektrischen Strom zuleiten kann.
Es ist ein Kennzeichen des vorliegenden Beispiels, dass in dem Strahlkanal eines Wirbelschichtbettes nur eine Elektrode angeordnet ist. Ebenso ist es erwünscht, dass der elektrische Stromkreis von der Elektrode durch den Wirbeltrichter und den den letzteren umgebenden beweglichen ringförmigen Körper fester Teilchen hin durch durch eine zweite Elektrode oder Verbindung geschlossen wird, welche die symmetrische Bewegung der Teilchen in dem sich bewegenden ringförmigen Körper nur wenig stört.
Es ist praktisch unmöglich, den gewünschten gleichmässigen Fluss der festen Teil chen, eine gleichmässige Stromverteilung und ein gleichmässiges Erhitzen zu erhalten, wenn mehr als eine Elektrode in dem Strahlkanal angeordnet wird oder wenn in demselben überhaupt keine Elektrode angeordnet wird, so dass der Strom nicht durch den Strahlkanal hindurchgehen kann.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen mit einer Elektrode im Strahlkanal wird der elektrische Stromkreis von dem Strahlkanal durch den beweglichen ringförmigen Körper hindurch durch eine Elektrode bzw. einen Anschluss geschlossen, welche bzw. welcher räumlich symmetrisch zu der Achse des Strahlkanals und des bewegten ringförmigen Körpers liegt. Bei dieser Anordnung ist die Störung im symmetrischen Fluss der Teilchen in dem ringförmi gen Körper auf ein Mindestmass reduziert. Das wird leicht erreicht, beispielsweise durch die in der Zeichnung dargestellte Anordnung, aber auch andere ringförmige Elektroden zeigen praktisch das gleiche Ergebnis.
<I>Beispiel 1</I> Erhitzen eines Wirbelschichtbettes Eine gewisse Menge von fliessfähigem Petrolkoks Esso , hergestellt in Billings, Montana, wurde ge glüht durch Erhitzen in dünner Schicht in einem Luft strom auf die Dauer von einigen wenigen Minuten bei einer Temperatur von etwa 700 C. 600 g der Fraktion dieses geglühten Petrolkoks, welche durch ein Sieb von 8-16 Maschen (1,0-2,4 mm Feinheit) hindurchging, wurde in ein Reaktionsgefäss von der in der Zeichnung angegebenen Bauart mit einem Durchmesser von 76 mm und einem Einlassdurchmesser von 3,5 mm eingebracht; das ergab eine Bettiefe von etwa 178 mm.
Das Bett wurde mit einer Luftmenge von 73,7 Liter je Minute aufgewirbelt, gemessen bei 20 C und bei Atmosphä rendruck, während an die Klemmen ein Wechselstrom mit einer Spannung von 75 Volt und einer Stromstärke von 7 Ampere gelegt wurde. Die Kopfelektrode war eine Graphitstange von 13 mm Durchmesser, die in den Strahlkanal eintauchte, so dass sich das untere Ende der Elektrode unter der Oberfläche des bewegli- chen ringförmigen Körpers befand, bei einer Gesamt eintauchtiefe in den Strahlkanal von etwa 50 mm. Nach Verlauf von 10 Minuten hatte die Temperatur in dem ringförmigen Körper eine Höhe von 320 C ange nommen.
Durch die Handhabung des aus der Elek trode 3, dem Thermoelementrohr 4 und den beiden Scheiben 2 und 5 bestehenden Aggregate wurde das Thermoelementrohr vorübergehend in den Strahlkanal gesenkt, wo man eine Temperatur von 330 C fest stellte.
Legte man an die Klemmen einen Strom von 115 Volt Spannung und 16 Ampere Stromstärke bei einem Luftstrom von 63,5 Litern je Minute, dann stellte sich in dem ringförmigen Körper eine Temperatur von etwa 740 C, in dem Strahlkanal eine solche von etwa 755 C ein. Da unter diesen Verhältnissen eine Ver brennung des Kokses eintrat, ist es unzweifelhaft rich tig, dass ein mit Stickstoff aufgewirbeltes Bett bei dieser Leistungsaufnahme die erwähnten Temperaturen nicht erreichen würde.
Die Kopfelektrode, welche durch Reibung in Dek- kel 2 und Scheibe 5 festgehalten wurde, konnte geho ben oder gesenkt werden, um verschieden tief in den Strahlkanal einzutauchen. Bei zunehmender Eintauch- tiefe nahm der elektrische Widerstand des Bettes ab. <I>Beispiel 2</I> Herstellung von Olefinen durch Spalten Das Reaktionsgefäss in Beispiel 1 wurde mit 400 g eines geglühten Petrolkoks gleicher Herkunft und von gleicher Körnung wie in Beispiel 1 gefüllt; das ergab eine Bettiefe von etwa 140 mm.
Der Koks wurde mit Stickstoff aufgewirbelt, wobei an die Klemmen ein Wechselstrom von 220 Volt Spannung und 30 Am pere Stromstärke gelegt wurde. Sobald das Bett eine Temperatur von 850 C erreicht hatte, wurde der Stick stoff durch ein im Handel erhältliches Gasgemisch der folgenden Zusammensetzung ersetzt:
EMI0003.0016
Propan <SEP> 54,0 <SEP> Raumteile
<tb> Propylen <SEP> 37,2 <SEP> Raumteile
<tb> Äthan <SEP> 5,1 <SEP> Raumteile
<tb> Methan <SEP> <U>3,7</U> <SEP> Raumteile
<tb> 100,0 <SEP> Raumteile Dieses Gemisch wurde in das Reaktionsgefäss in einer Menge von 36,8 Liter je Minute eingeleitet.
Nach 5minutigem Betrieb mit diesem Gasgemisch wurde dem Abgasstrom, der sich auf 56,7 Liter je Minute belief, ein Muster entnommen, Die Analyse durch Gaschromatographie zeigte die folgende Zusammen setzung:
EMI0003.0018
Propan <SEP> 22,6 <SEP> Raumteile
<tb> Propylen <SEP> 19,2 <SEP> Raumteile
<tb> Äthan <SEP> 3,4 <SEP> Raumteile
<tb> Methan <SEP> 5,2 <SEP> Raumteile
<tb> Äthylen <SEP> 14,3 <SEP> Raumteile
<tb> Wasserstoff <SEP> 35,1 <SEP> Raumteile
<tb> Stickstoff <SEP> 0,2 <SEP> Raumteile
<tb> 100,0 <SEP> Raumteile Die Berechnung ergab, dass<B>30%</B> der zugeführten C3-Kohlenwasserstoffe umgewandelt worden waren (d. h.<B>70%</B> der ursprünglichen im Abgas erscheinen den).
Die Ausbeute an Äthylen belief sich auf 53 Ge wichtsprozent, bezogen auf die umgewandelten C3-Koh- lenwasserstoffe, oder 16 Gewichtsprozent, bezogen auf die dem Reaktionsgefäss zugeführten C3-Kohlenwasser- stoffe. Die berechnete Kontaktzeit belief sich auf 0,10 Sekunden, auf den Durchschnitt der zugeführten und der abgeführten Gasvolumina bezogen, zurückgeführt auf die jeweiligen Temperaturen sowie auf die Tiefe und die Fläche des Koksbettes und unter der Annahme 50 % leerer Räume im Bett.
<I>Beispiel 3</I> Herstellung von Olefinen durch Spalten Das Reaktionsgefäss in Beispiel 1 wurde anstatt mit 400 g wie in Beispiel 2 mit 250 g geglühtem Petrol- koks gleicher Herkunft und von gleicher Körnung wie in Beispiel 1 gefüllt; das ergab eine Bettiefe von etwa 102 mm. Der Koks wurde mit Stickstoff aufgewirbelt, wobei an die Klemmen ein Wechselstrom mit einer Spannung von 220 Volt und 25 Ampere Stromstärke gelegt wurde. Sobald das Bett eine Temperatur von 1050 erreicht hatte, wurde der Stickstoff durch das gleiche Gasgemisch wie in Beispiel 2 ersetzt, bei einer Durchflussmenge von 2,46 Liter/Minute.
Bei der ge ringeren Füllung und der kleineren Gasdurchfluss- menge wurde die Temperatur mit diesem Strom auf 1050 C gehalten, obwohl für die niedrigere Temperatur in Beispiel 2 eine Stromstärke von 30 Ampere erfor derlich war. Nach 5minutigem Betrieb mit diesem Gas wurde dem Abgas, dessen Menge sich auf 49,0 Li ter je Minute belief, ein Muster entnommen. Die Ana lyse durch Gaschromatographie zeigte die folgende Zusammensetzung
EMI0003.0032
Propan <SEP> 3,7
<tb> Propylen <SEP> 3,5
<tb> Äthan <SEP> 1,9
<tb> Methan <SEP> 29,7
<tb> Äthylen <SEP> 19,4
<tb> Wasserstoff <SEP> <U>41,</U>8
<tb> 100,0 Die Berechnung ergab, dass 84% der zugeführten C3-Kohlenwasserstoffe umgewandelt worden waren.
Die Ausbeute an Äthylen belief sich auf 32,6 Gewichts prozent, auf die umgewandelten C3-Kohlenwasser- stoffe bezogen, oder 27,5 Gewichtsprozent, auf die dem Reaktionsgefäss zugeführten C3-Kohlenwasser- stoffe bezogen. Die Kontaktzeit belief sich auf 0,08 Sekunden.
<I>Beispiel 4</I> Das Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei jedoch das dortige Gasgemisch durch praktisch reines Butan er setzt wurde und an Stelle einer Stromstärke von 30 Ampere eine solche von 25 Ampere zur Anwendung kam. Sobald das Bett eine Temperatur von 950 er- reicht hatte, wurde der Stickstoff durch Butan ersetzt und in einer Menge von etwa 31,2 Liter je Minute ein geblasen, wobei die Temperatur im Verlauf von 5 Mi nuten allmählich auf 850 C abfiel. Zu diesem Zeitpunkt belief sich die Menge des Abgases auf einen errechne ten Wert von 77,8 Liter je Minute.
Ein durch Gas chromatographie analysiertes Muster zeigte die fol gende Zusammensetzung:
EMI0004.0001
Butan <SEP> 10,0
<tb> Propylen <SEP> 9,4
<tb> Äthan <SEP> 3,4
<tb> Äthylen <SEP> 22,8
<tb> Methan <SEP> 26,1
<tb> Wasserstoff <SEP> 11,5
<tb> Stickstoff <SEP> <U>16,8</U>
<tb> 100,0 Die Berechnung ergab, dass 75 % des Butans um gewandelt worden waren. Die Ausbeuten an Propylen und Äthylen beliefen sich auf 22,8 bzw. 36,6 1ö, auf das umgewandelte Butan bezogen, und auf 17,1 bzw. 27,4 %, auf das Gewicht des zugeführten Butans bezogen. Die Kontaktzeit belief sich auf 0,09 Sekunden.
Die ' Kennzeichen der aufzuwirbelnden körnigen festen Stoffe sind in dem vorher erwähnten U. S. Pa tent Nr. 2 786 280 angegeben. Damit die festen Stoffe für die vorliegende Erfindung nutzbar sind, müssen dieselben oder doch wenigstens ein beträchtlicher Teil derselben in dem Masse elektrisch leitend sein, dass bei der für den Stromkreis verfügbaren Spannung durch das Bett eine Stromstärke fliessen kann, welche aus reicht, um das Bett auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Für die vorliegende Erfindung können ver schiedene Formen von Kohle geeigneter Grösse, wie z.
B. klassierter Hüttenkoks, verwendet werden. Petrol- koks, wie er gewöhnlich auf den Markt kommt, hat nur eine sehr niedrige Leitfähigkeit und muss geglüht wer den, um die geeignete Leitfähigkeit zu bekommen. Besonders zweckmässig sind Koksteilchen von geeig neter Grösse, die aus einem aus einer Fliessbettverko- kung stammenden Koks abgesiebt wurden.
Das Glüh- verfahren ist nicht von entscheidender Bedeutung; bei spielsweise kann der Koks an der Luft auf die Dauer von einigen wenigen Sekunden bis zu einer Stunde oder noch länger erhitzt werden, und zwar bei Temperatu ren von 700-900 C, wobei die kürzeren Zeiträume bei flachen Schichten in einem Luftstrom von höheren Temperaturen zur Anwendung gelangen, die längeren Zeiträume bei niedrigeren Temperaturen in ruhender Luft.
Die mit dem beweglichen ringförmigen Körper der Teilchen in Berührung stehende Elektrode kann von beliebiger zweckmässiger Form sein. Beispielsweise kann die Elektrode so ausgeführt werden, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist, oder sie kann ringförmig sein und dabei einen Teil der Wandung der Kammer bilden. Es kann sowohl Wechselstrom als auch Gleichstrom verwendet werden, wobei der erstere der zweckmässigen Regelung wegen bevorzugt wird. In den hier beschrie benen spezifischen Bauteilen können verschiedene andere Modifikationen eingeführt werden, ohne dabei vom Geist der Erfindung abzuweichen, deren Bereich allein durch die nachfolgenden Patentansprüche be stimmt wird.
Method for electrically heating a bed of individual solid, electrically conductive material particles The present invention relates to a method for electrically heating a bed of individual solid, electrically conductive material particles using a gas jet which causes the bed to be fluidized, as well as to the application of the procedure.
The method for fluidizing beds of granular materials which are too coarse to be made flowable is described in US Pat. No. 2,786,280.
The electrical heating of fluidized beds of fine grain particles is known, but is subject to certain restrictions. In general, it is not possible to make particles larger than 0.84 mm (20 mesh) flowable, whereas it is easily possible to whirl up particles up to 2.5 mm in size.
Furthermore, to whirl up these relatively large particles of a given material, gas velocities can be used that are about ten times greater than the velocity of the gas that is supposed to make the smaller particles of the same substance flow. The fluidization technique is therefore available where a reaction between a gas and a hot solid requires a shorter contact time than can be obtained in a fluidized bed.
Endothermic reactions at high temperatures in a fluidized bed would bring difficult problems of heat transfer with them if the thermal energy had to be fed through the walls of the reaction vessel. It is an object of the present invention to provide an efficient and convenient method of delivering thermal energy where it is needed; H. so in the material bed itself.
In the method according to the invention, an electric current is sent through the fluidized bed between at least one top electrode and at least one bottom electrode, the bottom electrode being in contact with the bed and the top electrode being formed by fluidized particles from a bed penetrating through the bed and formed by the gas jet th channel is hit.
As a rule, such a fluidized bed is operated with only one jet channel, in which case only a single top electrode is used. Fluidized beds with several jet channels and the corresponding number of top electrodes are permissible provided that the gas supply to the individual jet channels is regulated separately for each individual. However, fluidized bed beds with a single jet channel are easier to operate and control and are therefore preferably used very generally.
The present invention is therefore described below in its application to fluidized beds with only a single jet channel and a single electrode in contact with the latter. However, as has already been indicated above, the invention can also be applied to fluidized beds with more than one jet channel and a corresponding number of top electrodes.
During the fluidization of the bed of solid, electrically conductive material particles by means of a gas, an electric current of such strength can be sent through the fluidized bed that the latter is kept at such a high temperature, a chemical reaction being carried out in this bed and the Products of this reaction are obtained from the gases drawn off from the fluidized bed.
This chemical reaction consists, for example, in the splitting of gaseous hydrocarbons into olefins, which can be obtained from the different gases.
Examples of chemical reactions that can be carried out according to the present invention in the fluidized, electrically heated bed also include the formation of hydrogen cyanide or hydrocyanic acid by the reaction of ammonia with carbon or with hydrocarbons or with both at the same time, the formation of carbon disulfide through the reaction of coal (i.e. the carbon particles in the bed) with sulfur vapors or with hydrogen sulfide, the reduction of carbon dioxide to carbon monoxide and the splitting of saturated hydrocarbons into olefins, acetylene or both.
The invention is of particular value for endothermic reactions with short contact times for optimal results, but other endothermic reactions which per se require contact times of several seconds at moderate temperature can be effective at higher temperatures and shorter contact times without the difficulties which are connected with the transfer of heat to the reaction mixture through the walls of the reaction vessel.
The invention also enables exothermic reactions to be carried out with low heat emission, the total heat requirement of the reaction vessel (ie the difference between the measurable heat of the withdrawn and the incoming gases plus the radiation, convection and heat conduction losses from the reaction vessel) is greater than that in The heat of reaction developed during the exothermic process, so that additional thermal energy must be added.
Embodiments of the invention are explained with reference to the drawing. The drawing shows a vertical section through an in-use device with a cylinder 1 which is closed at the top by a cover 2 through which an electrode 3 and a tube 4 for a thermocouple pass. Furthermore, the electrode and the tube for the thermocouple go through a guide disc 5, which is intended to help keep the two parts in place. An opening 6 in the guide disk 5 and a gas outlet pipe 7 in the cover 2 allow the gases to pass from the space below. The bottom of the cylinder is completed by the electrode 8.
This electrode consists of a cylindrical body with an interior space 9 in the form of a cone placed on the tip and with a central bottom opening into which an inlet port 10 is inserted for the gas used to swirl the bed. On the electrode 3 and the gas inlet 10 electrical connections 11 are provided. The electrode 8 is connected to the gas inlet connector 10. The jet channel, which consists of a dilute suspension of the granular solid particles, is denoted by 12, and the annular body of loosely connected solid particles arranged around it is denoted by 13.
The void fraction in the jet channel is very high even at the top of the same, and amounts to 60-95%. It is therefore completely unexpected that an electrode immersed in a zone with this low solid density can conduct the electrical current to the other electrode via this moving body.
It is a characteristic of the present example that only one electrode is arranged in the jet channel of a fluidized bed. It is also desirable that the electrical circuit from the electrode through the vortex funnel and the movable annular body of solid particles surrounding the latter is completed by a second electrode or connection which only slightly reduces the symmetrical movement of the particles in the moving annular body disturbs.
It is practically impossible to obtain the desired uniform flow of solid particles, uniform current distribution and uniform heating if more than one electrode is arranged in the jet channel or if no electrode is arranged in it so that the current does not flow through can pass through the beam channel.
In the preferred embodiments with an electrode in the beam channel, the electrical circuit from the beam channel through the movable annular body is closed by an electrode or a connection which is spatially symmetrical to the axis of the beam channel and the moved annular body. With this arrangement, the disturbance in the symmetrical flow of the particles in the annular body is reduced to a minimum. This is easily achieved, for example by the arrangement shown in the drawing, but other ring-shaped electrodes also show practically the same result.
<I> Example 1 </I> Heating a Fluidized Bed A quantity of flowable petroleum coke Esso, manufactured in Billings, Montana, was annealed by heating in a thin layer in a stream of air for a few minutes at a temperature of about 700 C. 600 g of the fraction of this ignited petroleum coke, which passed through a sieve of 8-16 mesh (1.0-2.4 mm fineness), was placed in a reaction vessel of the type shown in the drawing with a diameter of 76 mm and introduced an inlet diameter of 3.5 mm; this resulted in a bed depth of about 178 mm.
The bed was whirled up with an amount of air of 73.7 liters per minute, measured at 20 C and atmospheric pressure, while an alternating current with a voltage of 75 volts and a current of 7 amps was applied to the terminals. The top electrode was a graphite rod 13 mm in diameter which dipped into the jet channel so that the lower end of the electrode was below the surface of the movable annular body, with a total immersion depth in the jet channel of about 50 mm. After 10 minutes, the temperature in the ring-shaped body had reached a height of 320 ° C.
By handling the unit consisting of the electrode 3, the thermocouple tube 4 and the two disks 2 and 5, the thermocouple tube was temporarily lowered into the beam channel, where a temperature of 330 C was found.
If a current of 115 volts and 16 amps of current was applied to the terminals with an air flow of 63.5 liters per minute, a temperature of about 740 C was set in the ring-shaped body and a temperature of about 755 C in the jet channel . Since the coke burned under these conditions, it is undoubtedly correct that a bed swirled up with nitrogen would not reach the temperatures mentioned with this power consumption.
The head electrode, which was held in place by friction in the cover 2 and disk 5, could be raised or lowered in order to dip into the beam channel at different depths. With increasing immersion depth, the electrical resistance of the bed decreased. <I> Example 2 </I> Production of olefins by splitting The reaction vessel in Example 1 was filled with 400 g of an annealed petroleum coke of the same origin and of the same grain size as in Example 1; this resulted in a bed depth of about 140 mm.
The coke was whirled up with nitrogen, an alternating current of 220 volts voltage and 30 amperes amperage being applied to the terminals. As soon as the bed reached a temperature of 850 C, the nitrogen was replaced by a commercially available gas mixture with the following composition:
EMI0003.0016
Propane <SEP> 54.0 <SEP> volume parts
<tb> Propylene <SEP> 37.2 <SEP> volume parts
<tb> Ethane <SEP> 5,1 <SEP> room parts
<tb> Methane <SEP> <U> 3.7 </U> <SEP> room parts
<tb> 100.0 <SEP> parts by volume This mixture was introduced into the reaction vessel in an amount of 36.8 liters per minute.
After 5 minutes of operation with this gas mixture, a sample was taken from the exhaust gas flow, which amounted to 56.7 liters per minute. Analysis by gas chromatography showed the following composition:
EMI0003.0018
Propane <SEP> 22.6 <SEP> volume parts
<tb> Propylene <SEP> 19.2 <SEP> space parts
<tb> Ethane <SEP> 3,4 <SEP> room parts
<tb> Methane <SEP> 5.2 <SEP> room parts
<tb> Ethylene <SEP> 14.3 <SEP> parts of space
<tb> Hydrogen <SEP> 35.1 <SEP> volume parts
<tb> nitrogen <SEP> 0.2 <SEP> parts by volume
<tb> 100.0 <SEP> parts of space The calculation showed that <B> 30% </B> of the C3 hydrocarbons supplied had been converted (ie <B> 70% </B> of the original ones appeared in the exhaust gas) .
The yield of ethylene was 53 percent by weight, based on the converted C3 hydrocarbons, or 16 percent by weight, based on the C3 hydrocarbons fed to the reaction vessel. The calculated contact time was 0.10 seconds, based on the average of the gas volumes supplied and discharged, traced back to the respective temperatures and the depth and area of the coke bed and assuming 50% empty spaces in the bed.
<I> Example 3 </I> Production of olefins by splitting The reaction vessel in Example 1 was filled with 250 g of calcined petroleum coke of the same origin and grain size as in Example 1 instead of 400 g as in Example 2; this resulted in a bed depth of about 102 mm. The coke was whirled up with nitrogen while an alternating current of 220 volts and 25 amperes was applied to the clamps. As soon as the bed had reached a temperature of 1050, the nitrogen was replaced by the same gas mixture as in Example 2, at a flow rate of 2.46 liters / minute.
With the lower filling and the smaller gas flow rate, the temperature was kept at 1050 ° C. with this current, although a current of 30 amperes was required for the lower temperature in example 2. After operating this gas for 5 minutes, a sample was taken from the exhaust gas, the amount of which was 49.0 liters per minute. Analysis by gas chromatography showed the following composition
EMI0003.0032
Propane <SEP> 3.7
<tb> propylene <SEP> 3.5
<tb> Ethane <SEP> 1.9
<tb> methane <SEP> 29.7
<tb> ethylene <SEP> 19.4
<tb> hydrogen <SEP> <U> 41, </U> 8
<tb> 100.0 The calculation showed that 84% of the C3 hydrocarbons fed in had been converted.
The yield of ethylene was 32.6 percent by weight, based on the converted C3 hydrocarbons, or 27.5 percent by weight, based on the C3 hydrocarbons fed to the reaction vessel. The contact time was 0.08 seconds.
<I> Example 4 </I> Example 2 was repeated, but the gas mixture there was replaced by practically pure butane and instead of a current of 30 amps, a current of 25 amps was used. As soon as the bed reached a temperature of 950, the nitrogen was replaced with butane and blown in at a rate of about 31.2 liters per minute, the temperature gradually falling to 850 ° C. over the course of 5 minutes. At this time, the amount of exhaust gas was a calculated value of 77.8 liters per minute.
A sample analyzed by gas chromatography showed the following composition:
EMI0004.0001
Butane <SEP> 10.0
<tb> propylene <SEP> 9.4
<tb> Ethane <SEP> 3.4
<tb> ethylene <SEP> 22.8
<tb> methane <SEP> 26.1
<tb> hydrogen <SEP> 11.5
<tb> nitrogen <SEP> <U> 16.8 </U>
<tb> 100.0 The calculation showed that 75% of the butane had been converted. The yields of propylene and ethylene were 22.8 and 36.6 percent, respectively, based on butane converted and 17.1 and 27.4 percent, respectively, based on the weight of butane fed. The contact time was 0.09 seconds.
The characteristics of the granular solids to be fluidized are given in U.S. Patent No. 2,786,280, previously mentioned. In order for the solids to be useful in the present invention, they, or at least a substantial portion of them, must be electrically conductive to the extent that, at the voltage available for the circuit, a current sufficient to flow through the bed can flow around the bed bring to the desired temperature. For the present invention, various forms of coal of suitable size, such as.
B. classified metallurgical coke can be used. Petroleum coke, as it usually comes on the market, has only a very low conductivity and has to be annealed in order to achieve the appropriate conductivity. Particularly expedient are coke particles of a suitable size which have been sieved off from coke originating from a fluidized bed coking.
The annealing process is not critical; for example, the coke can be heated in the air for a period of a few seconds to an hour or even longer, at temperatures of 700-900 C, the shorter periods of time for flat layers in an air stream of higher temperatures Apply for longer periods at lower temperatures in still air.
The electrode in contact with the movable annular body of the particles can be of any convenient shape. For example, the electrode can be designed as it is shown in the drawing, or it can be ring-shaped and thereby form part of the wall of the chamber. Both alternating current and direct current can be used, with the former being preferred for reasons of convenient control. Various other modifications may be introduced in the specific components described herein without departing from the spirit of the invention, the scope of which is determined solely by the following claims.