CZ298588B6 - Zpusob provádení reakcí ve fluidizované cásticovévrstve - Google Patents

Abstract

Zpusob provádení reakcí ve fluidizované cásticovévrstve spocívá v tom, že prívod reaktantu do fluidizované vrstvy je prováden pomocí transverzální injektáže s nadzvukovou rychlostí, výhodne s rychlostí alespon 1,5 Mach.

Description

Vynález se týká zařízení a způsobu pro provádění reakcí ve fluidizovaných vrstvách částic, přičemž reaktanty jsou do fluidizovaných vrstev z částic vefukovány.

Dosavadní stav techniky

Reakce ve fluidizovaných vrstvách částic jsou samy o sobě známy, přičemž těmito vrstvami mohou být stacionární vrstvy v tzv. reaktorech s fluidním ložem nebo fluidních reaktorech nebo proudy částic, suspendovaných v plynu, v reaktoru s cirkulující fluidní vrstvou, u kterých je proud částic, vyvedený z reaktoru, úplně nebo částečně oddělen od proudu plynu a je zpětně zaveden do spodní části reaktoru. Fluidizovanými částicemi mohou být jak reaktanty, jako například při korozivních procesech, spalování uhlí, chlorizaěních procesech atd., tak i katalyzátory, jako například při krakování, hydratačních reakcích atd., nebo také inertní materiál. U velkého počtu reakcí ve fluidizovaných vrstvách částic (FSD), prováděných v technickém měřítku, u kte20 rých má fluidizační médium plynnou podobu, jsou náletové přepážky, jimiž jsou do reaktoru přiváděny fluidizační plyny, často problematické, protože jsou vystaveny jak chemickému, tak i chemickému namáhání. Jiný problém vzniká ve velkých reaktorech díly tomu, že je složité dosáhnout rozměrného rozdělení plynu na velké náletové ploše a že v klidovém stavu jsou na náletové přepážky kladeny značné nároky ohledně mechanické nosnosti. Postranní přívod částic může kvůli nedostatečnému radiálnímu přimíchávání částic vést uvnitř FSD ke vzniku oblastí s různými reakčními podmínkami.

Při provádění reakcí v FSD vznikají podstatné problémy tehdy, jestliže mají být do FSD odděleně zavedeny dva nebo větší počet plynných nebo kapalných reaktantů, protože například při smísení mimo FSD ke vzniku oblastí s různými reakčními podmínkami.

Při provádění reakcí v FSD vznikají podstatné problémy tehdy, jestliže mají být do FSD odděleny zavedeny dva nebo větší počet plynných nebo kapalných reaktantů, protože například při smísení mimo FSD utvoří explozivní směs. Pokud je jeden nebo více těchto reaktantů zaváděno otvory ve stěně reaktoru, vznikají potíže kvůli nerovnoměrnému rozdělení různých reaktantů v FSD. Aby se tomu zabránilo, jsou používány komplikovaná zařízení, u kterých jsou různé reaktanty přiváděny přes náletovou přepážkou pomocí oddělených potrubí.

Je známo použití kyslíku ve stacionárních nebo cirkulujících reaktorech s fluidním ložem nebo fluidních reaktorech při oxidačních reakcích, jako například při zpracovávání sulfidických rud, termickém rozkladu odpadních sírových kyselin, žíhání korundu nebo při spalování usazenin odpadních vod. Použitím vzduchu jako fluidizačního plynu jsou částice pevných látek fluidizovány, to znamená, že jsou udržovány v letu a současně je přiváděn kyslík za účelem provedení oxidační reakce s reaktanty. Fluidizovanými částicemi mohou být oxidovatelné reaktanty, inertní látky nebo katalyzátory.

Dále je známo, že místo spalovacího vzduchuje za účelem zvýšení kapacity zařízení a při exotermních reakcích, jako při rozkladu odpadních sírových kyselin, za účelem snížení spotřeby paliva, použit kyslík nebo kyslíkem obohacený vzduch. Je-li spalování paliva prováděno pomocí hořáků (DE 2 506 438), nenastávají u tohoto postupu podstatné problémy. Vhodné je použití kyslíkem obohaceného vzduchu i u provádění podobných reakcí v reaktorech s fluidním ložem (DE 3 328 708). Avšak v tomto případě lze kyslík používat pouze v relativně úzkých mezích, a to jednak z důvodů odolnosti zařízení v oblasti přívodních systémů fluidizačního vzduchu a jednak kvůli zvýšení teploty v bezprostřední blízkosti náletové přepážky z důvodů výskytu velkého množství kyslíku. To má za následek problémy s mechanickou pevností a vznícením se dna.

-1 CZ 298588 B6

Vynález si proto pokládá za úkol vytvořit způsob pro provádění reakcí ve fluidizovaných vrstvách částic, pomocí kterých byl byly možné předejít výše uvedeným problémům, jakými je nerovnoměrné rozdělení v PS, chemická a mechanická odolnost a nosnost náletové přepážky, nerovnoměrné rozdělení plynu a nedostatečné radiální přimíšení částic a rozdílné reakční podmínky v FPS, a se kterými by bylo možné pracovat efektivně a s malými náklady. Tento úkol je vyřešen způsobem podle vynálezu. Překvapivě se totiž ukázalo, že výše uvedené problémy je možné podstatně nebo zcela vyřešit pomocí transverzální injektáže reaktantů s nadzvukovou lychlostí do FPS.

Podstata vynálezu

Předložený vynález se týká způsobu provádění reakcí ve fluidizované částicové vrstvě za trans15 verzálního přívodu jednoho nebo více reaktantů do fluidizované vrstvy z částic, při kterém přívod reaktantů do fluidizované částicové vrstvy je prováděn transverzální injekcí nadzvukovou rychlostí nadzvukovými tryskami a jako reaktant je do fluidizované částicové vrstvy přiváděn transverzální injekcí při nadzvukové rychlosti jeden plyn ze skupiny zahrnující čistý kyslík, plyn s obsahem kyslíku, zejména vzduch obohacený kyslíkem, vodík nebo chlor.

Při tomto způsobu se používá reaktor s náletovou přepážkou, přes kterou je do vrstvy částic, nacházející se nad touto náletovou přepážkou, přiváděn fluidizační plyn za účelem vytvoření fluidizované vrstvy částic, jenž se vyznačuje tím, že na reakční stěně se nad úrovní náletové přepážky nachází jedna nebo více nadzvukových trysek.

U těchto reaktorů se jedná o zařízení, u nichž se díky přívodu fluidizačního plynu přes náletovou přepážkou vytvoří nad touto přepážkou fluidizovaná vrstva z částic a u kterých jsou pomocí transverzálních nadzvukových trysek reaktanty s nadzvukovou rychlostí vstřikovány radiálně nebo s určitém sklonem vzhledem k radiále do této fluidizované vrstvy z částic.

Nadzvukové trysky, známé také jako Lavalovy trysky, se podle potřeby výhodně opatří chladicím pláštěm.

Nadzvukové trysky (Lavalovy trysky) nacházejí v technických aplikacích široké použití a jsou požívány k urychlování plynných proudů s podzvukovou rychlostí na rychlost nadzvukovou.

Po obvodu reaktoru je možné umístit jednu nebo větší počet nadzvukových trysek.

Trysky mohou být umístěny v jedné nebo více úrovních.

Odstup mezi tryskami a náletovou přepážkou činí výhodně alespoň 100 mm, obzvláště výhodně 250 až 600 mm.

Zabudování Lavalových trysek lze výhodně provést tak, že jejich ústí přechází do vnitřní stěny reaktoru nebojsou vzhledem k ní částečně zasunuty.

Odklon trysek od horizontály činí výhodně méně než 20°, obzvláště výhodně 0°.

Nadzvukové trysky jsou výhodně umístěny radiálním způsobem nebo s odklopen od radiály.

Rozměry nejužšího průřezu a výstupního průřezu Lavalových trysek jsou voleny v závislosti na vstřikovaném množství, teplotě a Machově čísle reaktantů, vystupujících z trysek, a na tlaku složek, který je k dispozici.

-2CZ 298588 B6

Dimenzovány a rozložení trysek se provede způsobem, který je znám odborníkům na Lavalovy trysky.

Při způsobu podle předloženého vynálezu má výstupní rychlost reaktantů z nadzvukové trysky nebo z nadzvukových trysek Machovo číslo výhodně hodnotu alespoň 1, obzvláště výhodně alespoň 1,5. Výstupní rychlost má obzvláště výhodně Machovo číslo menší než 3.

Vstřikované reaktanty mohou být v plynném stavuj. Jsou-li reaktanty plynné nebo kapalné, jsou do fluidizované vrstvy z částic injektovány pomocí nosného plynu. Různé reaktanty mohou být io vstřikovány pomocí oddělených trysek.

Jako reaktanty, které jsou možné do FPS vstřikovat pomocí transverzální nadzvukové injektáže, přicházejí v úvahu zejména plyny, jako například O₂, H₂, Cl₂, uhlovodíky, vodní pára a mnoho jiných. Transverzálními nadzvukovými tryskami je však také možné plynovým proudem (nosný plyn) injektovat rozprášené kapaliny, jako například topný olej, nebo suspendované pevné látky, jako například uhelný prach.

Jako reaktant je v zejména upřednostňovaném případě možné injektovat čistý kyslík nebo kyslíkem obohacený vzduchem, výhodně s minimálním množstvím 30 % obj. O₂.

Do fluidní vrstvy je podle vynálezu možné pomocí transferzální injektáže s nadzvukovou rychlostí dodatečně přivádět oddělenými tryskami kromě kyslíku také hořlavé reaktanty.

Transverzální vefukováním kyslíku a popřípadě hořlavých reaktantů s nadzvukovou rychlostí se zvýší energie směsi ve fluidizované vrstvě z částic a tím i radiální přenos tepla a látek. Díky tomu vznikne rovnoměrný stupňovitý profil teploty a homogenní rozložení hmoty, což má za následek stejnoměrnou kvalitu produktu. Dodatečné přidání kyslíku umožní podstatné zvýšení průtočného výkonu při konstantní náletové ploše, respektive snížení náletové plochy při konstrukci reaktoru s fluidním ložem.

Popsaný způsob transverzální nadzvukové injektáže kyslíku a popřípadě hořlavých reaktantů je možné s výhodou použít u všech procesů oxidace ve fluidním loži, například při oxidačním zpracovávání sulfídických rud nebo převádění uhlí do plynného stavu, při tepelném rozkladu odpadních sírových kyselin, solí, mořicích a louhových lázní, při žíhání korundu, spalování usazenin odpadních vod nebo odpadů, při recyklaci Vysloužilých slévačských písků, při regeneraci katalyzátorů a při rozkladu kyseliny chlorovodíkové. Způsob podle vynálezu se přitom neomezuje pouze na výše uvedené a jednom jako příklad vyjmenované procesy.

Způsob podle vynálezu je výhodný zejména tehdy, když fluidizační plyn a jiné reaktanty přijdou do vzájemného kontaktu teprve v FPS, jak je tomu například u procesu žíhání. Zde je fluidováno vzduchem a v FPS je spalováno palivo. Doposavad byla u tohoto procesu potřeba komplikovaná náletová přepážka, aby bylo možné přivádět vzduch a palivo odděleně větším počtem otvorů / trysek v náletové přepážce. Způsob podle vynálezu umožňuje v tomto případě přívod paliva pomocí relativně malého počtu transverzálních nadzvukových trysek a přívod fluidizačního vzduchu jednoduchou náletovou přepážky s malým průřezem, přičemž provozní teplota náletové přepážky se pohybuje pod hodnotami teplot náletových přepážek, známých ze stavu techniky. Díly přívodu paliva do FPS s nadzvukovou rychlostí se dosáhne radiálního smísení paliva, fluidizačního vzduchu a fluidizovaných z částic. Pomocí dodatečné nadzvukové injektáže kyslíku lze dosáhnout podstatného zvýšení kapacity daného reaktoru.

Jako procesy, u kterých - jak již bylo výše popsáno - se transverzální nadzvukovou injektáží paliv a popřípadě kyslíku dosáhne zvláštních výhod, lze kromě žíhání jmenovat například také oxidační, tepelné zpracovávání rud; odolejovávání okují a podobných těles; spalování odpadních usazenin nebo odpadů, částečnou nebo úplnou redukci rud, tepelný rozklad chloridů nebo sulfátů kovů, oxidační zpracování sulfídických rud apod.. Způsob podle vynálezu, respektive reaktor

-3CZ 298588 B6 podle vynálezu jsou výhodné také při výrobě chloridů titanu, křemíku, zirkonu a jiných kovů, při které je náletová přepážka vystavena obzvláště agresivnímu chemickému namáhání. Náletové přepážky mohou být například udržovány relativně málo.

Vynález je možné s výhodou použit i u pecí s teplotním zpracováním pomocí fluidizačního lože, u kterých je možné pomocí Lavalových trysek vstřikovat N₂ nebo činidla nacementování jako zemní plyn, metanol nebo CO.

Jiné procesy, u kterých se projevují pozitivní účinky vynálezu, jsou procesy krakování, hydra10 tační procesy, způsoby regenerace katalyzátorů, zejména způsoby opalování uhlíkových usazenin a jiné způsoby. Výčet procesů, u kterých lze s výhodou použít reaktory podle vynálezu a způsob podle vynálezu, je spíše náhodný a neomezuje se pouze na vyjmenované procesy.

Při způsobu podle vynálezu je výhodně na vstupu do reaktoru umístěna jedna nebo více nadzvu15 kových trysek nebo jsou nadzvukové trysky uspořádány v jedné nebo více úrovních. Je také výhodné, aby tryskami byly injektovány různé reaktanty.

Příklady provedení vynálezu

Porovnávací příklad 1

Reaktor s fluidním ložem s průměrem 4 m v oblasti náletové přepážky (například typu štěrbino25 vého roštu) je použit k tepelnému rozkladu sulfátů kovů, které mají podobu filtračního koláče s obsahem 68% kyseliny sírové. Rozklad probíhá při přibližně 1000 °C, přičemž je použit pyrit a koks jako redukční prostředek a palivo.

Do reaktoru je přiváděno 12,5 t/h výše zmíněného filtračního koláče, 2 t/h pyritu a 2,45 t/h koksu.

Roštem (náletová přepážka) je přiváděna 20 000 m³/h vzduchu. 100 mm nad roštem byla naměřena teplota 980 °C. 1100 mm nad roštem činila hodnota teploty 1060 °C, ve výstupním kanálu plynu pak teplota činila 1070 °C. Obsah SO₂ z reaktoru vystupujícího plynu činil 11,2 % obj. (vzhledem k suchému plynu).

Porovnávací příklad 2

Reaktor s fluidním ložem s průměrem 4 mm v oblasti náletové přepážky (například typu štěrbinového roštu) je použit k tepelnému rozkladu sulfátů kovů, které mají podobu filtračního koláče s obsahem 68% kyseliny sírové. Rozklad probíhá při přibližně 1000 °C, přičemž je použit pyrit a koks jako redukční prostředek a palivo.

Do reaktoru je přiváděno 20 t/h výše zmíněného filtračního koláček, 3,3 t/h pyritu a 3 t/h koksu. Roštem (náletová přepážka) je přiváděno 18 000 m³/h vzduchu (v normovaném stavu) a

1900 m³/h O₂ (odpovídá 28,1 % obj. O₂ ve fluidizačním plynu). Potřebný motorový výkon dmýchacích zařízení, pomocí kterých je vháněna směs vzduch/kyslík, činila 142 kW, vstupní tlak před roštem činil 170mbar. V místě s odstupem 100 mm nad roštem byla naměřena teplota 995 °C. V místě s odstupem 1100 mm nad roštem činila hodnota teploty 1060 °C, ve výstupním kanálu plynu reaktoru pak teplota činila 1065 °C.

Přibližně 85 % pevných reakčních produktů (směs oxidů kovů + popel) bylo vyneseno jako prach s reakčními plyny a přibližně 15 % bylo staženo ze spodní části reaktoru v podobě hrubého pískovitého ložního materiálu. Z reaktoru vystupující reakční plyn obsahoval 18,3% obj. SO₂ (vzhledem k suchému plynu).

-4CZ 298588 B6

Porovnávací příklad 3

Do reaktoru podle porovnávacích příkladů 1 a 2 bylo rovnoměrně po obvodu umístěno 6 vstup5 nich plynových prvků, pomocí kterých byl ve výšce 350 mm nad roštem přiváděn kyslík. Přívod kyslíku byl prováděn pomocí trubek ze žáruvzdorné oceli s vnitřním průměrem 24 mm, které byly umístěny tak, že končily na ploše vnitřní stěny reaktoru.

Přívod pevných látek jako filtračního koláče, pyritu a koksu byl proveden stejně jako u porovnáίο vacího příkladu 1 a 2. Roštem bylo přiváděno pouze 18.100 m³/h vzduchu. Přívod 1900 m³/h O₂ byl proveden rovnoměrně pomocí 6 přívodních trubek. Výkon dmýchacího motoru činil při vstupním tlaku 155 mbar pouze 124 kW. Teplota ve výšce 110 mm nad roštem činila pouze 920 °C. v měřicích místech ve výšce 1100 mm nad roštem byly naměřeny teploty 940 až 1135 °C. Ve výstupním kanále pro plyn byla naměřena teplota 1070 °C.

Po 2 h trvání pokusu byly v ložním materiálu pozorovány hrubé spečené kusy až o velikosti pěsti. Jelikož jejich množství během dalšího trvání pokusu narůstalo, byl pokus po 6 hodinách přerušen. Vyjmuté trubky pro přívod plynu vykazovaly na svých koncích silná zokujení.

Příklad 1

Do 6 podpěr v plášti reaktoru byly místo jednoduchých trubek pro přívod plynu (podle porovnávacího příkladu 3) zabudovány Lavalovy trysky, které byly obaleny chladicím pláštěm, jenž byl protékán chladicí vodou. Konec každé trysky byl vzhledem ke stěně reaktoru poposazen zpět o 20 mm.

Pomocí Lavalových trysek (nejmenší průměr 10,2 mm) bylo při vstupním tlaku 4,9 bar (absolutně) a při absolutním tlaku v reaktoru 1 bar celkově přivedeno 1900 m³/h O₂. Vypočtená výstupní rychlost kyslíku měla Machovo číslo 1,7. Množství vzduchu a provozní data odpovídají podobným údajům podle porovnávacího příkladu 2, množství přivedených pevných látek odpovídají podobným údajům podle porovnávacích příkladů 1 a 2. V výšce 100 mm nad roštem činila teplota 920 °C. Na všech měřících místech 1100 mm nad roštem byly naměřeny teploty od 1060 až 1065 °C, ve výstupním kanále pro plyn měla teplota hodnotu 1065 °C.

Stažený ložní materiál byl rovnoměrně písčitý bez spečených hrudek. Při kontrole dna roštu po 8 měsících provozu byla konstatována podstatně menší tvorba okují než při srovnatelném trvání provozu za běžných podmínek, jenž odpovídají porovnávacímu příkladu 1. Díky tomu bylo během celé doby trvání provozu zaručeno zejména rovnoměrné rozložení fluidizačního vzduchu.

Tato skutečnost je pro daný proces podstatná, protože při špatném rozdělení mohou být sulfáty kovů vyneseny ven společně s prachem z oxidů kovů.

Příklad 2

Do reaktoru, jenž je vybaven Lavalovými tryskami podle vynálezu (podle příkladu 1), je přiváděno pouze 16 000m³/h fluidizačního vzduchu. Tlak O2 před Lavalovými tryskami (nejméně průměr 13,2 mm) byl zvýšen na 7,8 mbar (absolutně), takže celkově bylo přiváděno 4000 m³/h O2. Vypočtená výstupní rychlost z trysek má Machovo číslo přibližně 2. Potřebný výkon dmý50 chacích motorů poklesl na 112 kW při 135 mbar vstupního tlaku. Po reaktoru je teď možné přivádět 28g/h filtračního koláče, 4,5 t/h pyritu a 4 t/h koksu. Teplota 100 mm nad roštem stoupla na 940 °C, ostatní teploty jsou stejné jako u příkladu 1.

V ložním materiálu nebyla pozorována jakkoliv spečení. V podobě prachu vynesená směs oxidů kovů byla homogenní. Obsah SO₂ reakčních plynů byl při 25,0% obj. (vzhledem k suchému

-5 CZ 298588 B6 plynu) o 6,7 % obj. vyšší než u příkladu 1, díky čemuž se podstatně ulehčilo další zpracování na kyselinu sírovou. Oproti příkladu 1 bylo možné zvýšit výkon rozkladu o 40 % ze 20 t/h na 28 t/h filtračního koláče. Po třech měsících trvání provozu nevykazovaly Lavalovy trysky viditelné opotřebení.

Příklad 3

Jako u příkladu 1 bylo do reaktoru přiváděno 18 100m³/h fluidizačního vzduchu. V analogii ío s příkladem 2 bylo 4000 m³/h O₂ vstřikováno pomocí Lavalových trysek s výstupní rychlostí o

Machově čísle 2. Přívod filtračního koláče bylo možné zvýšit na 28,8 t/h. Krom toho bylo přiváděno 6,2 t/h pyritu a 4,1 t/h koksu. Obsah SO₂ činil v reakčních plynech 23,6 % obj. (vzhledem k suchému plynu).

Díky přívodu O₂ podle vynálezu pomocí Lavalových trysek tak bylo možné oproti porovnávacímu příkladu 1 zvýšit kapacitu rozkladu filtračního koláče na 144 %.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob provádění reakcí ve fluidizované částicové vrstvě za transverzálního přívodu jed25 noho nebo více reaktantů do fluidizované vrstvy z částic, vyznačující se t í m , že přívod reaktantů do fluidizované částicové vrstvy je prováděn transverzální injekcí nadzvukovou rychlostí nadzvukovými tryskami a jako reaktant je do fluidizované částicové vrstvy přiváděn transverzální injekcí při nadzvukové rychlosti jeden plyn ze skupiny zahrnující čistý kyslík, plyn s obsahem kyslíku, zejména vzduch obohacený kyslíkem, vodík nebo chlor.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že reaktant je kyslík nebo plyn s obsahem kyslíku a do fluidizované částicové vrstvy je dodatečnými nadzvukovými tryskami přiváděno nadzvukovou rychlostí palivo.

   35
3. 3. Způsob podle jednoho z nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že výstupní rychlost reaktantů z nadzvukových trysek má Machovo číslo alespoň 1,5.
4. 4. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 3,vyznačující se tím, že reaktant je kyslík nebo plyn s obsahem kyslíku a fluidizace částicové vrstvy je prováděna pomocí vzduchu nebo

   40 vzduchu obohaceného kyslíkem, přiváděného rozdělovačem.
5. 5. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že při způsobu je na vstupu do reaktoru umístěna jedna nebo více nadzvukových trysek nebojsou nadzvukové trysky uspořádány v jedné nebo více úrovních.
6. 6. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že tryskami jsou injektovány různé reaktanty.

   Konec dokumentu