EP1846149A1 - Dispositif d'injection de fluides a l'interieur d'un lit fluidifie rotatif - Google Patents

Dispositif d'injection de fluides a l'interieur d'un lit fluidifie rotatif

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EP1846149A1
EP1846149A1 EP05821754A EP05821754A EP1846149A1 EP 1846149 A1 EP1846149 A1 EP 1846149A1 EP 05821754 A EP05821754 A EP 05821754A EP 05821754 A EP05821754 A EP 05821754A EP 1846149 A1 EP1846149 A1 EP 1846149A1
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space
rotating
solid particles
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    • F26B17/107—Machines or apparatus for drying materials in loose, plastic, or fluidised form, e.g. granules, staple fibres, with progressive movement with movement performed by fluid currents, e.g. issuing from a nozzle, e.g. pneumatic, flash, vortex or entrainment dryers pneumatically inducing within the drying enclosure a curved flow path, e.g. circular, spiral, helical; Cyclone or Vortex dryers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F26B3/082—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by convection, i.e. heat being conveyed from a heat source to the materials or objects to be dried by a gas or vapour, e.g. air the gas or vapour flowing through the materials or objects to be dried so as to loosen them, e.g. to form a fluidised bed arrangements of devices for distributing fluidising gas, e.g. grids, nozzles
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    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/0061—Controlling the level

Definitions

  • the present invention relates to a device for injecting a fluid or mixture of fluids, liquid or gaseous, inside a fluidized bed.
  • rotary device for increasing the amount of movement and energy that the fluid can transfer to solid particles rotating in a rotating fluidized bed to increase the rotational speed.
  • the present invention for improving the efficiency of momentum transfer and kinetic energy transfer between a fluid jet and solid particles suspended in a rotating fluidized bed, comprises deflectors, inside the rotating fluidized bed, suitably profiled and disposed adjacent the fluid injectors, to permit mixing of the injected fluid with a limited amount of solid particles, while channeling it, to prevent or reduce its expansion into the reactor before it has transferred a significant amount of its kinetic energy to these solid particles.
  • This device makes it possible to use much lighter fluids than solid particles and to inject it at high speed into the reactor without losing a large part of its kinetic energy because of its expansion in the reactor.
  • the present invention can also be applied to a horizontal reactor.
  • the rate of injection of the fluid into the reactor, its flow rate and the efficiency of the transfer of its kinetic energy must be sufficient to give a rotational speed to the fluidized bed producing sufficient centrifugal force to hold it against the cylindrical wall from the top of the reactor.
  • Figure 1 is a cross section of a reactor for viewing the fluid injection device. It shows the section (1) of the cylindrical wall of a cylindrical reactor, the sections (2) of width (3) of fluid injectors (4), penetrating tangentially in the reactor, and the section (5) of lateral deflectors, arranged longitudinally (perpendicularly to the plane of the figure) at a small distance from the cylindrical wall of the reactor, in front of the injectors, in order to channel the fluid jets into the spaces (6), generally convergent and then diverging, situated between the deflectors and the cylindrical wall of the reactor.
  • These lateral deflectors delimit with the injectors passages or corridors of width access (7), where flows
  • solid particles suspended in the rotating fluidized bed can enter these spaces (6) and mix with the fluid jets (4).
  • the convergence or divergence limited by the deflectors in the first part of these spaces (6) prevents or limits the expansion of fluid jets whose pressure can decrease to retain a good part of their speed while they accelerate the flows ( 8) solid particles.
  • the fluid flows (9) then slow down in the divergent portion of these spaces or corridors (6) and their pressure can rise to reach the reactor pressure. Thanks to their inertia the solid particles are less slowed down and can have a tangential exit velocity close to and even greater than that of the fluids which will have yielded to them much of their kinetic energy.
  • the pressure injection and therefore their energy must increase to allow the fluids to escape through the outlet (11), despite the strong slowdown caused by solid particles.
  • This increase in pressure is reflected in the access passages or corridors (7) and decreases the entry speed of the solid particles, whose concentration increases and the flow rate decreases, thus decreasing the amount of energy that they can to absorb, in order to find an equilibrium of the energy transfer depending on the dimensions of these spaces (6), velocities and densities of the solid particles and fluids.
  • the length of these spaces (6) be shorter as the ratios between the width (3) or section of the injectors and the width (7) or section of the access passages are small, so that the fluids still have a speed substantially greater than that of the particles at the outlet (11).
  • the amount of energy transferred to the solid particles will be greater if these section ratios are small and the length of these spaces (6) is large, the optimum depending on the operating conditions and objectives.
  • This diagram also shows the section (11) of the surface of the rotating fluidized bed, the solid particles symbolized by small arrows (12) indicating their direction of movement, the section of central baffles (13) defining longitudinal slots allowing Centrally aspirate the fluids (14), for their evacuation from the reactor, the curvature (15) of these central deflectors ensuring the separation between the solid particles and the fluid before suction.
  • Figure 2 is an axonometric projection of a portion of the side wall (1) of a reactor to better visualize the fluid injection devices. It shows injectors, schematized in (16), or their longitudinal section (17) and, in dotted lines, the section (18) of tubes supplying these injectors, through the reactor wall, fluids whose flows are symbolized by the arrows (4), coming out of the injectors and passing between the side wall (1) of the reactor and the side baffles (19).
  • the injectors are separated by rings or fractions of transverse rings (20) along the side wall (1) of the reactor and the lateral baffles (19) are inserted between these rings, leaving an access corridor to the solid particle streams , symbolized by the black arrows (21).
  • These rings or rings may be transverse fins or helical coils oriented so as to raise the solid particles along the side wall of the reactor. They can also be hollow and serve as a fluid distributor to the injectors connected to it.

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Abstract

Dispositif d'injection de fluides à l'intérieur d'un fluidifié rotatif ou les jets de fluides sont orientés dans le sens de la rotation du lit fluidifié et entourés d'au moins un déflecteur délimitant autour de ces jets espace généralement convergent puis divergent et en amont de ces jets passages par ou les particules en suspension dans le lit fluidifie rotatif peuvent pénétrer afin de se mélanger aux jets de fluides qui leur transfèrent une partie de leur énergie cinétique avant de sortir de cet espace.

Description

DISPOSIΗF D'INJECTION DE FLUIDES A L'INTERIEUR D'UN LIT FLUIDIFIE ROTATIF DESCRIPTION La présente invention se rapporte à un dispositif d'injection d'un fluide ou mélange de fluides, liquides ou gazeux, à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif permettant d'augmenter la quantité de mouvement et l'énergie que le fluide peut transférer aux particules solides tournant dans un lit fluidifié rotatif en vue d'en augmenter la vitesse de rotation.
Les procédés où des particules solides sont en suspension dans un fluide et forment ainsi un lit fluidifié qui est traversé par ce fluide, sont bien connus. Lorsque ce fluide est injecté tangentiellement à la paroi cylindrique d'un réacteur cylin- drique, il peut transférer une partie de son énergie cinétique aux particules solides pour leur donner un mouvement de rotation et si l'énergie transférée est suffisante, ce mouvement de rotation produit une force centrifuge qui peut maintenir le lit fluidifié le long de la paroi cylindrique du réacteur formant ainsi un lit fluidifié rotatif, dont la surface est approximativement un cône tronqué inversé, si le réacteur cylindrique est vertical. Un tel procédé est l'objet de la demande n° 2004/0186 d'un brevet belge, déposée le 14 avril 2004, au nom du même inventeur. Cependant, lorsqu'un jet de fluide est injecté à grande vitesse dans un réacteur de grande dimension, il est rapidement ralenti par son expansion dans le réacteur, ce qui limite sa possibilité de transférer une quantité de mouvement significative aux particules solides. C'est pourquoi, si on n'utilise pas d'autres moyens mécaniques pour assurer la rotation du lit fluidifié, il est nécessaire d'avoir un débit de fluide très élevé pour pouvoir transférer aux particules solides la quantité de mouvement nécessaire au maintien d'une vitesse de rotation suffisante pour les maintenir le long de la paroi cylindrique du réacteur et lorsque la densité du fluide est beaucoup plus faible que la densité des particules les dispositifs permettant l'évacuation centrale de ces fluides peuvent devenir très encombrants.
La présente invention, pour améliorer l'efficience du transfert de quantité de mouvement et d'énergie cinétique entre un jet de fluide et des particules solides en suspension dans un lit fluidifié rotatif, comprend des déflecteurs, à l'intérieur du lit fluidifié rotatif, adéquatement profilés et disposés à proximité des injecteurs du fluide, afin de permettre le mélange du fluide injecté avec une quantité limitée de particules solides, tout en le canalisant, afin d'empêcher ou réduire son expansion dans le réacteur avant qu'il ait transféré une quantité importante de son énergie cinétique à ces particules solides. Ce dispositif permet d'utiliser des fluides beaucoup plus légers que les particules solides et de l'injecter à grande vitesse dans le réacteur sans perdre une grande partie de son énergie cinétique en raison de son expansion dans le réacteur. Une application de cette demande est décrite dans une demande d'un brevet belge, au nom du même inventeur, déposée le même jour que la présente demande. La présente invention peut aussi s'appliquer à un réacteur horizontal. Dans ce cas la vitesse d'injection du fluide dans le réacteur, son débit et l'efficience du transfert de son énergie cinétique doivent être suffisants pour donner une vitesse de rotation au lit fluidifié produisant une force centrifuge suffisante pour le maintenir contre la paroi cylindrique de la partie supérieure du réacteur.
La figure 1 est une coupe transversale d'un réacteur permettant de visualiser ce dispositif d'injection de fluides. On y voit la section (1) de la paroi cylindrique d'un réacteur cylindrique, les sections (2) de largeur (3) d'injecteurs de fluides (4), pénétrant tangentiellement dans le réacteur, et la section (5) de déflecteurs latéraux, disposés longitudinalement (perpendiculairement au plan de la figure) à petite distance de la paroi cylindrique du réacteur, en face des injecteurs, afin de canaliser les jets de fluides dans les espaces (6), généralement convergents puis divergents, situés entre les déflecteurs et la paroi cylindrique du réacteur. Ces déflecteurs latéraux délimitent avec les injecteurs des passages ou couloirs d'accès de largeur (7), par où des flux
(8) de particules solides en suspension dans le lit fluidifié rotatif peuvent pénétrer dans ces espaces (6) et se mélanger aux jets de fluides (4). La convergence ou la divergence limitée par les déflecteurs dans la première partie de ces espaces (6) empêche ou limite l'expansion des jets de fluides dont la pression peut diminuer pour conserver une bonne partie de leur vitesse pendant qu'ils accélèrent les flux (8) de particules solides. Les flux de fluides (9) ralentissent ensuite dans la partie divergente de ces espaces ou couloirs (6) et leur pression peut remonter pour atteindre la pression du réacteur. Grâce à leur inertie les particules solides sont moins ralenties et peuvent avoir une vitesse tangentielle de sortie proche et même supérieure à celle des fluides qui leur auront donc cédé une grande partie de leur énergie cinétique.
Si la longueur de l'espace (6) et sa section minimum (10) sont telles que les fluides injectés peuvent céder une si grande partie de leur énergie aux particules solides que leur vitesse à la sortie du dit espace peut trop diminuer, la pression d'injection et donc leur énergie doit augmenter pour permettre aux fluides de s'échapper par la sortie (11), malgré le fort ralen- tissement provoqué par les particules solides. Cette augmentation de pression se répercute dans les passages ou couloirs d'accès (7) et y diminue la vitesse d'entrée des particules solides, dont la concentration augmente et dont le débit diminue, diminuant donc la quantité d'énergie qu'elles peuvent absorber, afin de trouver un équilibre du transfert d'énergie dépendant des dimensions de ces espaces (6), des vitesses et des densités des particules solides et des fluides. Pour éviter ce ralentissement des particules solides dans les passages ou couloirs d'accès (7), il faut que la longueur de ces espaces (6) soit d'autant plus courte que les rapports entre la largeur (3) ou section des iηjecteurs et la largeur (7) ou section des passages d'accès sont petits, pour que les fluides aient encore une vitesse sensiblement supérieure à celle des particules à la sortie (11). Par contre la quantité d'énergie transférée aux particules solides sera d'autant plus grande que ces rapports de sections sont petits et que la longueur de ces espaces (6) est grande, l'optimum dépendant des conditions de fonctionnement et des objectifs.
Des calculs simplifiés montrent que ces dimensions permettent de larges variations des conditions de fonctionnement permettant aux fluides de céder au moins les trois quarts de leur énergie cinétique, ce qui permet d'obtenir un transfert suffisant de quantité de mouvement vers les particules solides par des fluides très légers, sans augmenter exagérément leur débit, en injectant ces fluides à grande vitesse.
Sur ce schéma on montre encore la section (11) de la surface du lit fluidifié rotatif, les particules solides symbolisées par de petites flèches (12) indiquant leur direction de déplacement, la section de déflecteurs centraux (13), délimitant des fentes longitudinales permettant d'aspirer centralement les fluides (14), pour leur évacuation du réacteur, la courbure (15) de ces déflecteurs centraux assurant la séparation entre les particules solides et le fluide avant son aspiration.
La Figure 2 est une projection axonométrique d'une partie de la paroi latérale (1) d'un réacteur afin de mieux visualiser les dispositifs d'injection des fluides. On y montre des injecteurs, schématisés en (16), ou leur section longitudinale (17) et, en pointillés, la section (18) de tubes alimentant ces injecteurs, au travers de la paroi du réacteur, en fluides dont les flux sont symbolisés par les flèches (4), sortant des injecteurs et passant entre la paroi latérale (1) du réacteur et les déflecteurs latéraux (19).
Les injecteurs sont séparés par des anneaux ou fractions d'anneaux transversaux (20) longeant la paroi latérale (1) du réacteur et les déflecteurs latéraux (19) sont insérés entre ces anneaux, en laissant un couloir d'accès aux flux de particules solides, symbolisés par les flèches noires (21). Ces anneaux ou fractions d'anneaux peuvent être des ailettes transversales ou des spires hélicoïdales orientées de façon à faire monter les particules solides le long de la paroi latérale du réacteur. Ils peuvent aussi être creux et servir de distributeur de fluide aux injecteurs qui y sont reliés. Exemple:
Les transferts d'énergie et de quantité de mouvement entre des fluides et des particules solides dépendent fortement de la nature et de la taille des particules. Toutefois des calculs simplifiés permettent de montrer, à titre d'exemple indicatif, que, pour des particules solides d'une densité 700 fois plus élevée que la densité du fluide, avec un rapport entre la section des couloirs d'accès (7) et des injecteurs de 3 à 4 et une section de sortie (11) égale ou supérieure à la somme des sections des couloirs d'accès et des iηjecteurs, les fluides peuvent être injectés à une vitesse de 5 à 15 fois supérieure à la vitesse moyenne de rotation des particules solides et leur transférer au moins 75% de leur énergie cinétique si l'espace (5) est suffisamment long compte tenu de la taille des particules.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif permettant d'améliorer l'efficience du transfert d'énergie et de quantité de mouvement du dit fluide aux particules solides en suspension dans le dit lit fluidifié rotatif, carac- térisé en ce qu'il comprend au moins un déflecteur délimitant à l'intérieur du dit lit fluidifié rotatif un espace autour d'un ou plusieurs jets du dit fluide dirigés dans le sens de la rotation du dit lit fluidifié rotatif, provenant d'un ou plusieurs injecteurs du dit fluide, ce dit déflecteur étant disposé de manière à délimiter entre le ou les dits injecteurs et le dit déflecteur, un passage ou couloir d'accès à un flux des dites particules solides en suspension dans le dit lit fluidifié rotatif, provenant de l'amont du dit injecteur, pour entrer dans ce dit espace afin de s'y mélanger avec le ou les dits jets de fluide, ce dit espace étant suffi- samment long pour permettre à ce ou aux dits jets de fluide de céder une partie substantielle de leur énergie cinétique aux dites particules solides avant d'atteindre la sortie de ce dit espace.
2 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le dit espace délimité par le dit déflecteur et entourant le ou les dits jets de fluide est d'abord convergent puis divergent.
3 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que le dit espace délimité par le dit déflecteur et entourant le ou les dits jets de fluide est de section constante.
4 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 3, caractérisé en ce que la section du ou des dits injecteurs de fluide est allongée afin d'injecter le dit fluide sous la forme d'un ou plusieurs films peu épais le long de la paroi cylindrique du réacteur contenant le dit lit fluidifié rotatif et que le dit déflecteur à la forme d'une ailette délimitant avec la dite paroi cylindrique du dit réacteur le dit espace, par où passe le ou les dits films peu épais du dit fluide.
5 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant la revendications 4, caractérisé en ce que le dit espace est au moins deux fois plus étroit que l'épaisseur moyenne du dit lit fluidifié rotatif.
6 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des anneaux ou fraction d'anneaux transversaux fixés le long de la paroi cylindrique du réac- teur contenant le dit lit fluidifié et délimitant avec le dit déflecteur et la dite paroi cylindrique du dit réacteur le dit espace par où passent le ou les dits jets de fluide.
7 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les dites fractions d'anneaux sont des ailettes transversales inclinées par rapport à l'axe central du dit réacteur afin de faire monter les dites particules solides en suspension dans le dit lit fluidifié rotatif le long de la dite paroi cylindrique du dit réacteur.
8 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les dits anneaux ou fractions d'anneaux sont des spires hélicoïdales orientées de manière à faire monter les dites particules solides en suspension dans le dit lit fluidifié rotatif le long de la dite paroi cylindrique du dit réacteur.
9 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 8, caractérisé en ce que la section du dit passage ou couloir d'accès est plus grande que la section du ou des dits injecteurs.
10 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 9, caractérisé en ce que la section de la dite sortie de ce dit espace convergent puis divergent est égale ou supérieure à la somme des sections du ou des dits injecteurs et du dit passage ou couloir d'accès.
11 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à
10, caractérisé en ce que le dit fluide est un gaz de densité beaucoup moins élevée que la densité des dites particules solides et qu'il est injecté à des vitesses au moins 3 fois plus élevées que la vitesse moyenne de rotation des dites particules solides en suspension dans le dit lit fluidifié rotatif.
12 - Un dispositif d'injection de fluide à l'intérieur d'un lit fluidifié rotatif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à
11, caractérisé en ce que la longueur du dit espace est suffisamment courte pour que le dit fluide ait encore une vitesse sensi- blement supérieure à la vitesse des dites particules solides en sortant du dit espace.
EP05821754A 2004-12-15 2005-12-09 Dispositif d'injection de fluides a l'interieur d'un lit fluidifie rotatif Withdrawn EP1846149A1 (fr)

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