HU223757B1 - Eljárás és berendezés hőátadásra - Google Patents

Abstract

A találmány eljárás szilárd anyagtöltet melegítésére vagy hűtésére.Ennél az anyagot kezelőtartályba adagolják, és ebben a szilárdanyagokból anyagoszlopot készítenek. A kezelőtartályt egy vagy többolyan járattal látják el, amelyen keresztül hőátadó közegetáramoltathatnak. Munkaközeget adagolnak a kezelőtartályba, és azt azanyagoszlopon keresztül cirkuláltatják. A cirkuláltatási művelet sorána munkaközeg legalább egy részét eltávolítják a kezelőtartály egy vagytöbb szakaszából, majd a munkaközeget visszavezetik a kezelőtartálymásik szakaszába. Ezáltal a hőátadó közeg és az anyagtöltet között,valamint a hőátadó közeg és a munkaközeg között közvetett hőátadástvégeznek, és a munkaközeg és az anyagtöltet között a munkaközegnek azanyagoszlopon keresztüli cirkuláltatása révén közvetlen hőátadástidéznek elő. A javasolt berendezésnek külső palásttal ellátottkezelőtartálya van, amely szilárd anyagú anyagoszlopot befogadni képeskialakítású. A belső terében az anyagoszlop fűtésére vagy hűtésérevaló közvetett hőátadó egységgel van ellátva. Továbbá, munkaközeget akezelőtartályba adagoló egysége, valamint a munkaközeget az anyagágyoncirkuláltató egysége van. ŕ

Description

A találmány tárgya eljárás és berendezés, amely hőátadásra, különösen kis hővezető képességű szilárd (ömlesztett, darabos) anyagból lévő anyagtöltet fűtésére és hűtésére alkalmas.

Különböző ipari eljárásoknál megkívánt, hogy szilárd anyagokat is tartalmazó anyagtölteteket hevítsenek vagy hűtsenek abból a célból, hogy megindítsanak vagy fenntartsanak egy adott kémiai reakciót, vagy fizikai változást. Általában az anyagtöltetet magasabb hőmérsékletre kell hevíteni ahhoz, hogy a kémiai reakció vagy a fizikai változás bekövetkezzék. Sajnos a szilárd anyagot tartalmazó anyagtöltetek többnyire igen rossz hővezető tulajdonságúak, éppen ezért igen nehéz az ilyen töltetek felhevítése indirekt (közvetett) hőátadás révén. Ezért az ilyen anyagtölteteket gyakran direkt (közvetlen) hőátadással melegítik, így például azáltal, hogy forró gázokat vezetnek az anyagtöltetből képzett anyagoszlophoz vagy anyagágyhoz.

A jelen leírásban „közvetlen hőátadás fogalom alatt olyan hőátadási eljárást értünk, amelynél hőátadó közeg közvetlen kapcsolatban van a hűtendő vagy fűtendő szilárd anyaggal. „Közvetett hőátadás” fogalom alatt viszont olyan hőátadást értünk, amelynél a hőátadó közeg a fűtendő vagy hűtendő anyagtól, például csőfallal fizikailag el van választva.

A gyakorlatból ismert, hogy bizonyos eljárások alkalmatlanok a közvetlen hőátadásra. A szilárd anyagok és gázok közötti hőkapacitási arány olyan, hogy túl nagy mennyiségű gáz vagy folyadék lenne szükséges a hőátadáshoz. Például, a jelenlegi eljárásoknál túl nagy térfogatú gázáram szükséges a hőátadáshoz oszlopos anyagágy esetében, ami viszont egyáltalán nem jöhet szóba gyakorlatilag csak durva darabos anyagok fűtésekor és hűtésekor, ilyen esetekben is igen hosszú fűtési vagy hűtési időkre van szükség. Szenekkel kapcsolatos eljárásoknál, vagy olyan anyagoknál, amelyek magasabb hőmérsékleten elpárolgó komponenseket is tartalmaznak, a közvetlen hőátadás azzal is járna, hogy az elpárolgó anyagot a fűtőgáz magával viszi, és ez nehézségeket okozna a füstgázok kilépés előtti tisztításában, azaz mielőtt a füstgázok a füstcsövön keresztül távoznának. Más eljárásoknál a közvetlen hőátadás a szilárd anyag kezelésében okoz problémákat, vagy karbantartási problémákkal jár, mivel a gázáramok a szilárd anyagrészecskéket magukkal ragadják. Ilyen eljárásoknál szükségszerű az indirekt hőátadás alkalmazása az anyagtöltet hevítésekor.

A szénnemesítési eljárásoknál, különösen az alacsony fűtőértékű szenek nemesítésénél ismertek már a közvetett hőátadási eljárások, amelyeknél egyidejűleg magasabb hőmérsékletet és nyomást alkalmaznak. Ilyen eljárást ismertet például az US-5290523 számú szabadalmi leírás. Az ilyen eljárásnál a széntöltetet megnövelt nyomáson hevítik, és eközben a szénből vizet távolítanak el a tömörítési vagy préselési műveletben, amivel egyúttal a szén szerkezeti átrendeződését is elérik, és a dekarboxilezési reakciók is végbemennek, miközben bizonyos oldható hamuképző komponensek ugyancsak távoznak a szénből. Mindez eredményezi a szén nemesedését a termikus víztelenítés révén, és a nemesítéssel egyúttal nő a szén kalóriaértéke. A szénnemesítési eljárás során a viszonylag nagy nyomás fenntartásával az eltávolított víz elpárologtatása jelentős mértékben csökkenthető, amivel egyúttal csökkenthető az eljárás energiaigénye. Ezen túlmenően, a melléktermékként kapott víz általában folyékony halmazállapotban van jelen és nem gőz formájában.

A szenek hőkezelése tehát azzal jár, hogy a szénnel hőt közölnek, de a szénoszlop tényleges hővezető képessége csak közelítőleg 0,1 W/mK értékű, ami azt jelenti, hogy a szénágy hőszigetelő tulajdonságú.

Különböző feltételek, illetve szempontok veendők figyelembe ahhoz, hogy a szén felmelegítése felgyorsítható legyen, és ezáltal olyan eljárást lehessen létrehozni, amely a szénoszlop elfogadható felhevítési idejét biztosítja, ezek a következők:

- a termikus kihajtóerő növelése a hőátadó közeg hőmérsékletének növelésével: ez a művelet azzal jár, hogy a szén illékony alkotórészei eltávoznak, ez viszont az alacsonyabb értékű szenek nemesítési eljárásánál csökkenti a termék hőértékét. Továbbá, ez ahhoz is vezet, hogy kátrányok és más illékony komponensek lecsapódnak a reaktor rendszer különböző részein;

-fluid ágyak alkalmazása: ez viszont azzal jár, hogy nagy térfogatú (ínért) gázt kell cirkuláltatni, amivel pedig a szénből az illékony komponensek távozási problémája együtt jár; ennél a műveletnél szükség van a gáz hűtésére és tisztítására, mielőtt azt újból komprimálnák, vagy a meleg kompresszorba vezetnék; mindkét megoldás jelentős ráfordítást és karbantartást igényel, továbbá, a fluid ágyak hajlamosak arra, hogy elkülönítsék a finomabb frakciókat;

- mozgatott anyagágyak, például forgókemence alkalmazása: az ilyen reaktorok magasabb nyomásokon, inért atmoszférában történő működtetése jelentős műszaki problémákkal és költségekkel jár; célszerűbbnek mutatkozik itt a közvetett hőátadás, de ezzel tovább bonyolódnak a műszaki problémák, és a reaktorban lévő széntérfogat viszonylag kicsi lehet;

- a töltet hirtelen szárításának alkalmazása: ehhez azonban megfelelő háttér kell, hogy piacképes terméket lehessen előállítani, továbbá, ennél a megoldásnál inért gáz szükséges a hőátadáshoz, és a kezelt térfogatoknak kellően nagyoknak kell lenniük a szilárd anyagok diszpergált állapota miatt;

-a szén hidrotermikus víztelenítése, amelynél a szenet apró szemcseméretűre aprítják, majd vízzel keverve ebből zagyot képeznek, ezt követően a zagyot megnövelt nyomáson magasabb hőmérsékletre melegítik, hogy a folyékony állapotot fenntartsák; ez az eljárás előfeltételezi a szén előzetes aprítását, amelyet azután darabositani kell, vagy közvetlenül például erőművekben kell felhasználni, továbbá, ennél az eljárásnál meglehetősen nagy mennyiségű vizet kell magas hőmérsékletre hevíteni, ehhez nagy méretű hőcserélőkre van szükség a hő visszanyeréséhez.

HU 223 757 Β1

Nagy (10 bar érték fölötti) nyomás alkalmazása esetén a fentebb említett valamennyi lehetőség még nehézkesebben és körülményesebben valósítható meg.

A fenti szempontok mérlegelése után arra a következtetésre jutottunk, hogy anyagoszlopos ágy az indirekt hőátadással kombinálva tűnik a legcélszerűbbnek, például a szén melegítéséhez vagy hűtéséhez, mivel ilyen esetben minimális a párolgási veszteség, az energiafogyasztás viszonylag csekély, és a keletkező melléktermék pedig döntő részben víz.

Az anyagoszlopos ágy szélesebb mérettartományban teszi lehetővé szenek kezelését, tehát akár durvább frakciók is felhasználhatók, szemben a fluid ágyas megoldással. Az anyagoszlopos ágy biztosítja a legkisebb térfogatot a nagynyomású reaktorban, feltéve, hogy a fűtési sebességek nagyok. A kisebb reaktortérfogat pedig azzal jár, hogy a nyomás alatt tartás ideje, és ezáltal a reaktor költségei is kisebbek.

Az indirekt hőátadás megvalósításának klasszikus módja az, hogy a fűtőközeg és a fűtendő anyagtöltet között kellően nagy felületet hoznak létre. Ez pedig általában a tartályos vagy csöves elrendezésekhez vezet, amelyeknél a fűtőközeg a csőköteg belsejében vagy azon kívül helyezkedik el. Az ilyen csőkötegek alkalmasak lehetnek például arra, hogy hőt folyadékokról gázokra adjanak át (jóllehet ezek hajlítása és beépítése, valamint karbantartása meglehetősen körülményes). De az ilyen elrendezések csak korlátozottan alkalmazhatók, ha szilárd anyagok hevítéséről van szó. Ez különösen igaz olyan esetekben, amelyeknél a szilárd anyagok szenet tartalmaznak, amelyeknek a szemcsemérete legfeljebb 19 mm-es, vagy exportméretű szenet foglalnak magukban, amelynél a széndarabok mérete legfeljebb 50 mm. Ezeknél ugyanis számolni kell a dugulás és beboltozódás problémájával. Az ilyen anyagokhoz tervezett hőátadó rendszereknél arról kell gondoskodni, hogy biztosítsák a szilárd anyagrészek szabad áramlását a szakaszos eljárási ciklus elején és végén, vagy a folyamatos eljárás egésze során.

A fentebb említett hagyományos tartályos és csöves elrendezések további problémája abból adódik, hogy a hagyományos reaktorok ürítőkúpot igényelnek, amelyet a reaktorban lévő csőköteg alsó részénél kell elrendezni, hogy a reaktorból a szenet le lehessen üríteni; éppen ezért szinte lehetetlen a csőköteget úgy elrendezni, hogy az az ürítőkúpba érjen és az abban lévő szénmennyiséget kellőképpen felmelegítse; ennek a nehézségnek a kiküszöbölése végett néhány eljárásnál a szénágyba vizet vagy gőzt fecskendeznek, ezeket munkaközegeknek nevezik; az ilyen munkaközegek elpárologtathatok (ha ezek folyadékok), és az anyagágy felső szakaszaiban túlhevíthetők, majd az ürítőkúp alján lévő kiömléshez áramoltathatok. Az ürítőkúpban lévő hideg szilárd anyagokat tehát a munkaközeggel melegítik fel (konvekció, azaz az áramló közeg hőszállítása, és adott esetben a munkaközeg kondenzációja révén), a munkaközeg befecskendezése azonban komolyan megnöveli az eljárás energiaigényét.

Olyan hagyományos eljárás is ismert, amelynél csőköteges hőcserélőt alkalmaznak. Ennél a szenet a csőoldalon helyezik el, a hőátadó közegként pedig olajat áramoltatnak. A csövek átmérőjét általában 75 mmre választják, ami azt jelenti, hogy a hőátadás maximális távköze kb. 38 mm, ami megfelel a cső falától a cső közepéig mért távolságnak. Jóllehet a kis átmérőjű csövek bizonyos előnyökkel rendelkeznek, ha azokat nagy nyomásokon működtetjük, viszont az ilyen reaktorok alkalmazása kedvezőtlen olyan esetben, ha szilárd anyagokat kell a csöveken keresztüláramoltatni. Továbbá, a hőátadó közegként szereplő olaj „rövidre zárt” áramaival kell számolni, ami végül is a szén tökéletlen kezeléséhez vezet, következésképpen a reaktor kialakítása túl bonyolult és körülményes. Különösen a csőköteg véglapjai igen nehezen kialakíthatók, és nagyon vastag, költséges szerkezeti elemek. Az ilyen reaktorokban a szén által elfoglalt térfogat általában 30-50%, a tartály teljes térfogatához viszonyítva.

Az US-5353517 számú szabadalmi leírásból ismert olyan eljárás is, amely víztartalmú szilárd anyagok fluid ágyas szárítására való. Ennél közvetett hőátadást alkalmaznak, amihez legalább egy hőcserélőre van szükség. A gyakorlati tapasztalatok szerint ennél az eljárásnál is a fentiekben már taglalt problémákkal kell számolni, nevezetesen a fluid ágyon keresztül nagy térfogatú gázt kell cirkuláltatni, amivel pedig a szénből az illékony komponensek távozási problémája együtt jár, másrészt a gázt hűteni és tisztítani kell az újból komprimálás előtt, ami jelentős többletráfordítást és karbantartást igényel, továbbá, a fluid ágyak hajlamosak a finomabb frakciók leválasztására, ami nemkívánatos.

A jelen találmánnyal célunk a fenti hiányosságok kiküszöbölése, azaz olyan tökéletesített hőátadási megoldás létrehozása, amellyel a hőátadás viszonylag egyszerű szerkezeti kialakítás mellett és gazdaságosan foganatosítható.

A találmány alapja az a felismerés, hogy a kitűzött feladat megoldható, ha a reaktorban anyagoszlopos anyagágyhoz még kis hővezető képességű anyagtöltet fűtésekor vagy hűtésekor is olyan munkaközeget alkalmazunk, amelyet magában a reaktortartályban cirkuláltatunk.

A kitűzött feladatot a találmány szerint olyan eljárással oldottuk meg, amely szilárd anyagtöltet fűtésére vagy hűtésére való. Ennél a szilárd anyagot legalább egy, hőátadó közeg áramoltatására való járattal rendelkező kezeiőtartályba adagoljuk, és abban a szilárd anyagtöltetből anyagoszlopot készítünk. Másrészt, hőátadó közeget vezetünk a kezelőtartálynak a legalább egy járatán keresztül, valamint munkaközeget adagolunk a kezelőtartályba. A megoldás lényege, hogy a munkaközeget az anyagoszlopon keresztül cirkuláltatjuk. E cirkuláltatási művelet során a munkaközegnek legalább egy részét eltávolítjuk a kezelőtartály legalább egy szakaszából, majd a munkaközeget visszavezetjük a kezelőtartály másik szakaszába, és ezáltal a hőátadó közeg és az anyagtöitet között, valamint a hőátadó közeg és a munkaközeg között közvetett hőátadást, viszont a munkaközeg és az anyagtöltet között a munkaközegnek az anyagoszlopon keresztüli cirkuláltatása révén közvetlen hőátadást végzünk.

HU 223 757 Β1

A találmány szerinti eljárás célszerű foganatosítási módjánál a munkaközeg tömegáramát szabályozzuk, és a tömegáram növekedésével növeljük az anyagtöltet effektív hővezető képességét. Előnyösen a munkaközeg tömegáramának szabályozását úgy végezzük, hogy a munkaközeg egy vagy több sebességét, a kezelőtartályban uralkodó nyomást és a munkaközeg sűrűségét szabályozzuk.

Célszerűen munkaközegként gázt alkalmazunk. A munkaközegként alkalmazott gáz tömegáramát úgy szabályozhatjuk, hogy a tömegáram növelésével növeljük az anyagtöltet effektív hővezető képességét. Adott esetben a munkaközegként szereplő gáz fajlagos áramlási sebességének szabályozását úgy is végezhetjük, hogy a munkaközegként szereplő gáz egy vagy több sebességét, a kezelőtartályban uralkodó nyomást és a munkaközegként szereplő gáz sűrűségét szabályozzuk.

Előnyösen a munkaközegként szereplő gáz sebességét kisebbre választjuk az anyagoszlopban lévő anyagtöltet fluidizálási sebességénél.

A találmány szerinti eljárás olyan berendezéssel foganatosítható, amelynek szilárd anyagoszlop képzéséhez szilárd anyagtöltetet befogadó belső teret határoló külső palásttal ellátott kezelőtartálya, valamint a belső terében elrendezett, az anyagtöltet fűtésére vagy hűtésére alkalmas, közvetett hőátadó egysége van. A megoldás lényege, hogy a munkaközeget a kezelőtartályba adagoló egysége, valamint a munkaközeget az anyagágyon keresztül cirkuláltató egysége van.

Előnyösen a munkaközeget a kezelőtartályban cirkuláltató egységnek legalább egy, a munkaközeget a kezelőtartályból eltávolító kiömlése, és legalább egy, a munkaközegnek a kezelőtartályba való beadagoló beömlése van. Továbbá, a munkaközeget az anyagágyon keresztül cirkuláltató szivattyúja, illetve ventilátora van, amely a munkaközeget az anyagágyon keresztül, a legalább egy kiömléshez, valamint a legalább egy kiömléstől a legalább egy beömléshez cirkuláltatni képes kialakítású.

A találmány szerinti eljárás foganatosítása akkor is célszerű, ha az anyagtöltet kis hővezető képességű. A munkaközeg cirkuláltatása gazdasági előnyökkel jár, mivel a munkaközeg kisebb mennyiségére van szükség, mint a hagyományos megoldásoknál. A cirkuláltatott munkaközeg révén jelentősen csökkenthető az energiafelhasználás. Az energiafelhasználásnak ez a csökkentése lehetővé teszi, hogy a munkaközeg áramlási sebességét az optimális hőátadáshoz szükséges értékűre növeljük, a részecskék magával ragadási veszélyének kiküszöbölésével.

A munkaközeg a reaktortartályban cirkuláltatható ventilátorral, szivattyúval vagy bármely más olyan ismert szerkezettel, amely alkalmas a szükséges nyomáskülönbség létesítésére.

A munkaközegnek az ágyon keresztüli tömegáramának a növelése történhet, például a munkaközeg sebességének növelésével. „Tömegáram” (mass flow rate) fogalom alatt egy adott tömeg időegység (például kg/s) alatti áramlási sebességét értjük. De ezt korlátozza az a körülmény, hogy a munkaközeg a töltet részecskéit magával ragadhatja, éppen ezért ennek a nemkívánatos hatásnak a veszélyét minimálisra kell csökkenteni.

Olyan esetekben, amelyekben a munkaközeg gáz, vagy tartalmaz gázt, a tömegáram növelése elérhető például azzal, ha a rendszeren belül növeljük a nyomást, vagy nagyobb sűrűségű gázt alkalmazunk. Nagyobb sűrűségek elérhetők a gáz megválasztásával, így például azáltal, ha megfelelő gázok keverékét alkalmazzuk, vagy finom port és cseppeket tartalmazó gázt vagy gázokat alkalmazunk.

Célszerűen a javasolt eljárás szerint szabályozzuk a munkaközeg tömegáramát azáltal, hogy szabályozzuk a munkaközeg egy vagy több sebességértékét és/vagy a reaktorban lévő nyomást és/vagy a munkaközeg sűrűségét.

A reaktoron belül egy vagy több járatot olyan lapokkal alakítunk ki, amelyeket a tartályban rendezünk el. Ilyen esetben a hőátadás a lapok külső felülete és a töltet, valamint a munkaközeg között történik meg. A töltettől vagy a töltetre történő hőátadás elősegíthető azáltal, ha a munkaközeget a reaktor belső terén keresztüláramoltatjuk, és azt váltakozó kapcsolatba hozzuk az anyagtöltettel és a lapok külső felületeivel. A jelen leírásban „lap fogalom alatt olyan háromdimenziós alakzatokat is értünk, amelyek lapból készültek. Például a lap lehet sík lemez, körkörös vagy hengeres lemez stb.

A jelen leírásban „anyagoszlop” fogalom alatt azt értjük, hogy az anyagtöltet szilárd részei egymással érintkeznek (és a gravitáció hatására is bizonyos mértékben tömörödnek a beadagolásuk után). Megjegyezzük, hogy az „anyagoszlop” fogalom nem zárja azt ki, hogy az anyagrészek a reaktoron belül bizonyos elmozdulást végezzenek, feltéve, hogy a részek egymással eközben mindvégig érintkezésben maradnak. Megjegyezzük továbbá, hogy az „anyagoszlop” fogalom nem zárja ki a lényegében statikus anyagágyon belül a részecskék bizonyos mértékű helyi elmozdulását. Szén esetében az „anyagoszlop” fogalom tipikusan azt jelenti, hogy az anyagágy térfogatsürüsége 600-800 kg/m³.

Kiemeljük, hogy az „anyagoszlop”-os anyagágy közismerten és alapvetően abban különbözik a „fluidizált anyagágy”-tól, hogy az utóbbinál a szilárd részeket egymástól szétválasztja az áramló fluidizáló gáznemű vagy folyékony közeg.

Olyan esetekben, amelyeknél a találmány szerinti eljárást az anyagtöltet felmelegítésére alkalmazzuk, különbségként kell megemlítenünk a hagyományos megoldásokhoz képest, hogy a találmány szerinti eljárás szempontjából nem lényeges, de nem is kizárt, hogy a munkaközeget a reaktorban való alkalmazása előtt felmelegítjük. Ebben a vonatkozásban megjegyezzük, hogy a találmány szerinti eljárásnál a munkaközeg elősegíti az indirekt hőátadást a hőátadó közeg és az anyagtöltet között. Az ily módon átadott hő mennyisége többszöröse lehet a munkaközeg érzékelhető hőjének. Példaként megemlítjük, hogy a munkaközeg elhagyhatja az anyagoszlopot hasonló hőmérsékleten, mint amilyennel belépett, pedig a keresztülhaladása során a hőátadó közegből jelentős mennyiségű hőt adtunk át az anyagtöltetre.

HU 223 757 Β1

Az indirekt, azaz közvetett hőátadás javítható azáltal, ha megnöveljük az anyagoszlop hosszát a munkaközeg azonos tömegárama mellett, anélkül azonban, hogy jelentősen változna a hőátadás mértéke. Ez egészen más végeredmény ahhoz képest, ha direkt, azaz közvetlen hőátadási eljárásnál az anyagáram sebességét lineárisan növelni kell az anyagágy hosszával arányosan, ha azonos hőátadási viszonyokat akarunk fenntartani. Az anyagoszlopos ágyban a munkaközeg tömegáramának növekedése problémákat vet fel, ugyanis lényegesen megnő a nyomásesés, és a fluidizációt korlátozó tényezőként hat.

Lényeges különbség van a találmány szerinti munkaközeggel végzett konvektív hőátadás és a technika állása szerinti konvektív hőátadás között, amelynél külsőleg fűtött gázt alkalmaznak. Ez utóbbi esetben az anyagágyban elhanyagolható hőmérséklet-gradiens állapítható meg, és az anyagágy alatt mérhető egy másik hőmérséklet-gradiens. Az indirekt hőátadás esetében a munkaközeggel biztosítható, hogy elhanyagolható hőmérséklet-gradiens legyen az anyagágy alatt. A hőmérséklet-gradiensek az ágyon keresztül értendők; a végső átlaghőmérséklet elérési idejét az ágyon keresztül történő hőátadás határozza meg, amely hőátadás a hőátadó felületekről történik, mégpedig a hőátadó felületek között, a közép irányába. Ezáltal lehetővé válik a hőátadás növelése oldalirányban, valamint a késleltetése függőleges irányban.

A munkaközegként célszerűen alkalmazott gáz magában foglalhatja természetesen gázok keverékét, vagy finom folyadékcseppek, vagy finom szilárd részecskék diszperzióját is. Célszerűen a gáznemű munkaközeg az eljárásban nem szenved fázisváltozást, de bizonyos esetekben előnyös lehet olyan gáznemű munkaközeg alkalmazása, amely kondenzálható komponenst is tartalmaz. Előnyösen a gáznemű munkaközegnek a tartályban mért sebessége feltétlenül kisebb, mint az a sebesség, amelynél az anyagtöltet az anyagoszlopos ágyban fluidizálható.

Munkaközegként különböző gázokat alkalmazhatunk, így például oxigént, nitrogént, gőzt, SO₂-ot, CO₂ot, szénhidrogéneket, nemesgázokat, fagyasztógázokat (így például freont), valamint ezek keverékét. Megjegyezzük, hogy természetesen egyéb gázok is alkalmazhatók. Továbbá, olyan komponensek is alkalmazhatók, amelyek környezeti hőmérsékleten általában folyékonyak, ha azokat a reaktorban uralkodó hőmérsékleteken gáz halmazállapotban tudjuk tartani.

A munkaközeg lehet inért gáz, vagyis az ilyen munkaközeg nem lép reakcióba az anyagtöltettel, vagy a reaktor belső részeivel. Megjegyezzük azonban, hogy bizonyos esetekben a munkaközeg tartalmazhat olyan komponenst, amely reakcióba lép az anyagtöltettel.

A találmány szerinti berendezés kezelőtartályában a csővezetékek célszerűen sorokban rendezhetők el, ezáltal könnyebb a kezelendő anyagtöltet beadagolása és eltávolítása a reaktorból. A církuláló munkaközeg fűthető vagy hűthető a mindenkori követelményeknek megfelelően, ehhez alkalmazhatunk külső fűtőszerkezetet vagy hűtőszerkezetet. Ilyen kategóriájú reaktorként utalunk például a „Koppelman-C” néven ismert csöves reaktorra, amelynél a szén a csövekben helyezkedik el.

A találmány szerinti eljárás foganatosításakor különböző nyomásokat alkalmazhatunk, beleértve az atmoszferikus nyomásnál kisebb, az atmoszferikus és az atmoszferikusnál nagyobb nyomásértékeket. Megjegyezzük azonban, hogy célszerűnek tartjuk a nagyobb nyomású működtetést, ezzel ugyanis lehetővé válik a munkaközeg tömegáramának maximalizálása, viszont egyúttal a minimálisra csökkenthető a fluidizáció, és a részecskék magával ragadásának a veszélye.

Célszerűen a szilárd anyag darabos, durva szemcseméretű anyag. A „darabos” fogalom alatt olyan anyagot értünk, amelynek a szemcsemérete 5 mm-nél nagyobb.

Célszerűen alkalmazható a találmány szerinti eljárás és berendezés - meglepő módon - a rossz hővezető tulajdonságú anyagtöltetek hűtési vagy fűtési kezeléséhez.

Előnyös a találmány szerinti berendezés olyan kivitele, amelynél az indirekt hőátadó egységnek hővezető tulajdonságú anyagból készült lapjai vannak, ezek a kezelőtartály belső terében vannak elrendezve. Továbbá minden lapnak legalább egy járata van, amely a hőátadó közeg áramoltatását biztosító kialakítású. Célszerűen minden lapnak legalább egy hővezető összekötő eleme, előnyösen összekötő lapja van, a hőátadó közeg és a lapszakasz anyaga között, így a teljes anyagtöltet az előírt hőmérsékletre hőátadás révén fűthető vagy hűthető a hőátadó közeg és az anyag között elhelyezkedő lapok révén.

A „hővezető-megkerülőjárat” (thermally conductive bypass) fogalmát részletesebben ismerteti a PCT/AU98/00005 számú szabadalmi leírás, amelynek ismertetésére referenciaként hivatkozunk. Ezalatt az értendő, hogy a hővezető tulajdonságú lapokkal kialakított járatban lévő hőátadó közeg hőjét az anyagtöltet anyagának a járatképző lap körzetében adjuk át. Előnyösen a lapok úgy vannak tájolva egymáshoz képest, hogy használat közben a szilárd anyag a reaktor betöltése és ürítése közben a szomszédos lapok között akadálytalanul keresztülhaladhat. Célszerűen a szomszédos lapok egymástól mért távköze 50-500 mm közötti, különösen előnyösen 75-200 mm közötti, főleg 75-125 mm közötti.

A találmány szerinti eljárás foganatosítására használt berendezés adott esetben túlnyomáson működtethető, ez a nyomásérték lehet például 2 bar vagy nagyobb, célszerűen 4 bar, vagy akár ennél nagyobb értékű. Célszerű, ha a lapok hővezető képessége legalább egy nagyságrenddel nagyobb, mint a tartályban lévő anyagtöltet hővezető képessége.

Olyan eljárásoknál, amelyeknél a szilárd anyagot nagyobb nyomáson kell tartani, e nyomás értékének pedig nagyobbnak kell lenni, mint annak a szivattyúnak a szállítási nyomása, ami ahhoz szükséges, hogy a hőátadó közeget a járatokon keresztül nyomjuk, például szén víztelenítésénél a hőátadó közeg (ez általában hőátadó olaj) közelítőleg 1033 kPa nyomással cirkulál5

HU 223 757 Β1 tatandó, ugyanakkor a szenet 5510 kPa nyomás alatt tartjuk. Éppen ezért célszerű, ha a reaktortartályban lévő lapok legalább egy, vagy esetleg néhány olyan járatot foglalnak magukban, amelyeken keresztül a hőátadó közeg áramolhat. Különösen előnyös, ha a járatok viszonylag kis átmérőjűek vagy szélességűek, valamint a járatok falainak vastagsága viszonylag nagy. Ezáltal elősegíthetjük, hogy a járatok falai kellően merevek legyenek, és így jól ellenálljanak annak a nyomáskülönbségnek, amely a lapok külső oldalára ható nyomás és a járatok belső oldalára ható nyomás között mérhető. A fűtőköpenyekhez hasonlóan a lapok merevek és kellően ellenállnak a nagyobb nyomás okozta deformációknak.

A járatképző lapok előnyösen tömörek, ezek gyárthatók bármely jó hővezető képességű anyagból. Célszerű, ha a járathatároló lapok anyaga lényegében vegyileg inért tulajdonságú a hőátadó közeghez képest, amelyet a járatokon keresztüláramoltatunk. A reaktorban kezelt szilárd anyaghoz képest ugyancsak célszerűen inért a lapok anyaga, hiszen a lapok külső oldalával érintkezésbe kerülnek a szilárd anyagok. Továbbá célszerűen a reaktortartályban lévő gázokhoz és folyadékokhoz képest is inért tulajdonságú a lapok anyaga. Adott esetben ezek a lapok járulékos támasztóegységekkel, csövekkel társíthatok, éppen ezért szükséges, hogy ezek a szén beadagolásánál, a szén áramlási útja és a szén leadási helye körül kellően kopásálló anyagokból készüljenek. A járathatároló lapok alakja különböző lehet, célszerűen azonban ezek alakja négyszög, paralelogramma vagy trapéz alakú.

Célszerű továbbá, ha a járathatároló lapok külső felületei lényegében sík felületekként vannak kialakítva, de adott esetben ezek más alakúak is lehetnek. A lapok képezhetnek bizonyos kiviteli alakoknál hengeres csőszerű járatokat, amelyeket koncentrikusan rendezhetünk el a reaktorban.

A szomszédos lapok közötti távközzel hatásosan meghatározhatjuk a szilárd anyagok számára kialakított áramlási utakat. Éppen ezért a szomszédos lapok közötti távközt kellően nagyra kell megválasztani ahhoz, hogy a járatokban a szilárd anyag ne boltozódjék vagy tömörödjék. Továbbá, a lapok közötti távköznek egyúttal kellően kicsinek kell ahhoz lenni, hogy a lapok között áramló szilárd anyagokra kellően hatásos hőátadást végezhessünk. A szilárd anyagokhoz, így például szénhez, amely viszonylag rossz hővezető képességű, a szomszédos járathatároló lapok közötti távközt legfeljebb 200 mm-esre javasoljuk választani, de lehetőség szerint ajánlatos ezt a távközt 100 mm-re vagy akár annál kisebbre választani.

Célszerű az olyan kivitel, amelynél a reaktor tartálynak lényegében a hengeres része van a lapokkal ellátva, ezek úgy vannak elrendezve - keresztmetszetben tekintve -, hogy a lapok a hengeres keresztmetszet húrjaiként helyezkednek el. Célszerű továbbá, ha a lapok a tartály hengeres részének hossza mentén lényegében végigérnek.

A kísérleti tapasztalataink szerint célszerű a kezelőtartályt úgy elrendezni, hogy a hengeres részének hossztengelye lényegében függőleges legyen. Az ilyen tartályok előnyösen ürítőkúppal vannak ellátva, amely például a tartálytérfogat legfeljebb 20%-a lehet. Olyan kivitel is lehetséges, amelynél a reaktortartály egy vagy több olyan lappal van ellátva, amelyek a tartály ürítőkúprészében vannak elrendezve. Ezek a lapoknak egy vagy több járatot képeznek a hőátadó közeg áramoltatásához. A lapok az ürítőkúpban célszerűen úgy vannak kialakítva, hogy a szilárd anyagok boltozódása vagy dugulása elkerülhető legyen. A lapok kialakíthatók úgy, hogy elősegítsék a szilárd anyagok áramlását, ugyanakkor az ürítőkúpban lévő szilárd anyag megfelelő fűtését vagy hűtését is lehetővé tegyék. Különböző geometriai kialakítások lehetségesek, beleértve a radiális lapokat, újszerű lapokat, oldalfallapokat és hajlított lapokat.

A lapok a tartály egyik végéhez kapcsolódhatnak. Használat közben a hőátadó közeget a közegforrástól egy vagy több vezetéken keresztül vezetjük a tartály külső burkolatán keresztül a lapokban kialakított járatokhoz. Célszerűen a lapok a tartály felső részéről függesztett elrendezésűek. Ez az elrendezés különösen célszerű, mivel ezáltal a szilárd anyagok áramlási akadályoztatása minimálisra csökkenthető. Adott esetben olyan kivitel is lehetséges, amelynél a lapokat a tartály alsó részéhez kapcsoljuk. Ez akkor lehet megfelelő, ha a hőátadó közeget el kell távolítani a lapok közötti térből, ha a hőátadó közeget keringtető szivattyú kikapcsolt állapotban van. Az ilyen elrendezés alkalmazásakor célszerű lehet, ha olvasztott sót használunk hőátadó közegnél, mivel az olvasztott só eltávolítható a járatokból, és így megakadályozható, hogy az a járatokba megszilárdulva lerakódjék.

A találmányt részletesebben a csatolt rajz alapján ismertetjük, amelyen a találmány szerinti megoldás példaként! kiviteli alakját tüntettük fel. A rajzon:

az 1. ábra a találmány szerinti berendezés első példaként! kiviteli alakjának nézete, részben metszve, amely szén hűtésére való;

a 2. ábrán az 1. ábra szerinti berendezés olyan diagramja látható, amely a hőmérséklet változását szemlélteti a középtől mért távolság függvényében, ahol a lapok távolsága 75 mm, munkaközegként nitrogént alkalmaztunk, amelynek fajlagos áramlási sebessége 0,6 kg/m² s értékű volt;

a 3. ábra az 1. ábra szerinti berendezés olyan diagramja, amely az átlagos ágyhőmérsékletet szemlélteti a fűtési idő függvényében; itt munkaközeg nélküli állapotot szemléltettünk, és a lapok közötti távközt 75 mm-re választottuk;

a 4. ábra ismét további diagram, amelynél az effektív hővezető képességet szemléltettük a munkaközeg fajlagos áramai sebességének függvényében;

az 5. ábra az 1. ábra szerinti berendezés ismét további diagramja, amely az átlagos hőmérséklet elérésének idejét szemlélteti a lapok távközének függvényében, ahol munkaközegként nitrogént alkalmaztunk;

HU 223 757 Β1 a 6. ábrán a találmány szerinti berendezéshez alkalmazható lap példakénti kiviteli alakja látható nézetben, részben metszve;

a 7. ábra a találmány szerinti berendezés másik példakénti kiviteli alakjának elrendezési vázlata, amely a találmány szerinti eljárás foganatosítására való szén víztelenítéséhez;

a 8. ábra a 7. ábra szerinti reaktor keresztmetszete, viszonylag nagyobb léptékben;

a 9. ábra a 7. és 8. ábrán látható reaktor ürítőkúpjának oldalnézete;

a 10. ábra a 9. ábra szerinti megoldás további változata;

a 11. ábra a 9. ábra szerinti ürítőkúp vízszintes metszete;

a 12a-12g. ábrákon a találmány szerinti lap különböző keresztmetszetű példakénti kialakításai láthatók.

A találmány tárgya eljárás és berendezés anyagtöltetnek reaktorban történő hevítésére vagy hűtésére, amely eljárásnál a reaktoron keresztül munkaközeget cirkuláltatunk. A találmány szerinti eljárás és berendezés első példakénti kiviteli alakját az 1-6. ábrák alapján ismertetjük, amely például az US-5 290 523 számú szabadalmi leírás szerinti eljárással kezelt szén hűtésére való. A találmány szerinti berendezés második példakénti kiviteli alakját a 7-12. ábra kapcsán ismertetjük, amely oszlopos szénágy hevítésére (víztelenítésére/nemesítésére) való.

Amint az 1. ábrán látható, a találmány szerinti hőátadó berendezésnek 50 kezelőtartálya (reaktora) van, amely lefelé fordított kúpos 51 beömlőrésszel, hengeres 64 házrésszel, kúpos 52 kiömlőrésszel van ellátva, valamint a hengeres 64 házrészben és a kúpos 52 kiömlőrészbe nyúlóan elrendezett, egymással párhuzamos és függőleges hőátadó 53 lapjai vannak. Az 51 beömlőrész és az 52 kiömlőrész lezárható, az 50 kezelőtartály teljes tömör lezárásához.

A hőátadó 53 lapok részletesebb leírását a második példakénti kiviteli alaknál adjuk, ezek itt külön nem ábrázolt járatokkal vannak ellátva a hűtőközeg számára, amelyet a járatokon keresztül cirkuláltatunk 54 beömlőcsövön és 55 kiömlőcsövön keresztül. A hűtőközeget külsőleg hűtjük, például külön nem ábrázolt hűtőberendezésben. Általában a hőátadó 53 lapok közötti távköz 50-500 mm közötti, célszerűen 75-125 mm közötti.

A kúpos 51 beömlőrésznek 88 szelepegysége van, amelyen keresztül a kezelendő darabos szén beadagolható az 50 kezelőtartályba, hogy azután az 50 kezelőtartályban anyagoszlopot, azaz szénágyat képezzünk abból. Továbbá, az 51 beömlőrésznek 90 gázkiömlése van, amely lehetővé teszi, hogy az 50 kezelőtartályból a gáz távozzék, ha az 50 kezelőtartályban a nyomás előre meghatározott értéket elér. Az 50 kezelőtartálynak 56 beömlőcsöve van a jelen esetben alkalmazott nitrogén munkaközeg számára, ezen az 56 beömlőcsövön keresztül a kezdeti nitrogénadagot betáplálhatjuk az 50 kezelőtartályba.

A találmány szerinti berendezésnek olyan cirkuláltató E egysége van, amely az anyagoszlopon keresztül képes a munkaközeget cirkuláltatni. A munkaközeg-cirkuláltató E egység a jelen esetben olyan körfolyamként van kialakítva, amely a munkaközegként választott nitrogén cirkuláltatására alkalmas. Ennek a cirkuláltatókörnek 58 kiömlése van, amely az 50 kezelőtartály felső részében van kialakítva, ezen keresztül a nitrogén eltávolítható az 50 kezelőtartályból. Továbbá, a cirkuláltatókörnek 59 beömlése van, ez az 50 kezelőtartály alsó szakaszában van elrendezve, és ezen keresztül a nitrogén visszatáplálható az 50 kezelőtartályba. A cirkuláltatókör magában foglal még 60 ventilátort, amely áramlásban tartja a nitrogént az 50 kezelőtartályban, mégpedig azt kényszeríti az 58 kiömlés irányába, valamint mozgásban tartja az 58 kiömlés és az 59 beömlés között az anyagoszlopban. A nitrogén áramoltatása elősegíti a hőátadást a szénágyban a szénrészecskékről az 53 lapokra.

Az 1. ábrán feltüntetett berendezés célszerűen szakaszos üzemmódban működtethető, amelynél a ciklusidőt célszerűen úgy választhatjuk meg, hogy a külön nem ábrázolt szénnemesítéshez használt fő reaktor ciklusidejénél kisebb legyen, vagy azzal legfeljebb azonos időtartamú legyen. A szakaszos üzemmód célszerű abból a szempontból, hogy ezáltal a szén hűtési idejét maximális értékre választhatjuk.

Az 1. ábra szerinti berendezés működtetése úgy történik, hogy először a hűtendő darabos szenet adagoljuk be az 50 kezelőtartályba a 88 szelepegységen keresztül, és abban anyagoszlopot, azaz szénágyat alakítunk ki. Ezután a lezárt 50 kezelőtartályban nitrogén beadagolásával az előírt nyomást hozzuk létre. Ezt követően a 60 ventilátort működtetjük, és ezzel cirkuláltatjuk a nitrogént munkaközegként az anyagoszlopon keresztül. Adott esetben a nitrogén cirkuláltatását az 53 lapok között már az 50 kezelőtartálynak a szénnel való feltöltése előtt is végezhetjük. Olyan foganatosítási mód is lehetséges azonban, amelynél a hűtőközegnek az 53 lapok közötti cirkuláltatását az 50 kezelőtartálynak a szénnel való feltöltése közben vagy után kezdjük.

A találmány szerinti megoldás hatékonyságának a bizonyítására kísérleti modellt készítettünk, nevezetesen annak vizsgálatára, hogy milyen paraméterek mellett történik a hőátadás a nitrogénnel a fentebb ismertetett eljárás alkalmazásakor. A kísérleti modellnél a széntöltet kiindulási hőmérsékletét 371 °C-ra választottuk, ugyanakkor az 53 lapok hőmérséklete 25 °C volt. A szimulációs kísérletek során az átlagos anyagágy-hőmérsékletet számítottuk az idő függvényében. Az átlagos ágyhőmérsékletet 50 °C-ra becsültük indításkor, és később is rendre meghatároztuk az átlagos ágyhőmérsékletet.

A 2. ábra diagramján szemléltetjük a kísérleti modell segítségével kapott paramétereket, nevezetesen a függőleges tengelyre a hőmérsékleteket mértük fel, a vízszintes tengelyre pedig a középtől mért távközöket. A 2. ábra diagramján a nitrogén tömegáramát 0,6 kg/m² s értékűre választottuk. Ilyen feltételek mellett a hűtést a találmány szerint egyrészt a lapokról származó hővezetés, másrészt az áramoltatott nitrogénnel elért konvekció révén értük el a szénágyon keresztül.

HU 223 757 Β1

A 2. ábrán látható diagramján látható görbék tehát a hőmérsékletet a távolság függvényében szemléltetik, és ebből a szén átlagos hőmérsékletét az idő függvényében számítottuk. Ennek értékeit viszont már a

3. ábra szemlélteti.

A 3. ábra diagramján az átlagos hőmérsékleteket a hűtési idő függvényében szemléltettük. Az idő értékeket az 1. ábra szerinti berendezés alkalmazása során választottuk, de anélkül, hogy a munkaközeget cirkuláltattuk volna a kezelőtartályon keresztül. A 3. ábrából nyilvánvaló, hogy az 50 °C-ra való lehűtés időigénye meglepően lecsökken (közel negyedére), ha munkaközeget alkalmazunk. A hűtésidőnek a 3. ábra szerinti munkaközeg alkalmazásával elért csökkentését azzal érjük el, hogy a munkaközeggel járulékos konvekciós hűtési mechanizmust létesítünk, ami növeli a szénágy effektív, azaz tényleges hővezető képességét. (Az anyagtöltet gyorsabb hőmérséklet-változásának ténye szükségszerűen magában foglalja azt is, hogy a hővezető képessége növekedett.)

Továbbá, azt tapasztaltuk a kísérleteink során, hogy a tényleges (effektív) hővezető képesség arányos az ágyon keresztül nyomott munkaközeg fajlagos áramlási sebességével. Ezt az összefüggést szemléltetjük a 4. ábra diagramján, ahol a függőleges tengelyre az effektív hővezető képességet, a vízszintes tengelyre pedig a munkaközeg fajlagos áramlási sebességét mértük fel (kg/m²s mértékegységben).

A 3. ábra diagramján látható két görbét két különböző munkaközeg áramlási sebességeinél és laptávközeinél kaptuk. Ezekből a görbékből határoztuk meg az ágy átlagos 50 °C hőmérsékletének eléréséhez szükséges időigényt. Ezt a paramétert az 5. ábra diagramján szemléltettük, amely a hűtésidőt a laptávköz függvényében szemlélteti diagramban. Az 5. ábra diagramjából jól látható, hogy a növelt laptáv alkalmazható ugyan, de a munkaközeg megnövelt fajlagos áramlási sebességére van ilyenkor szükség ahhoz, hogy elfogadhatóan rövid hűtésidőket érjünk el.

A hőátadó munkaközegként szereplő gázáram haladhat fölfelé, vagy lefelé az anyagágyon keresztül, de a kísérleti tapasztalataink szerint célszerűbbnek tartjuk a fölfelé áramoltatást. Bármilyen gázt is áramoltatunk keresztül az anyagágyon, számolni kell azzal, hogy az anyagágyban a gáznak bizonyos intersztíciós sebessége van. Ha ez az intersztíciós sebesség meghaladja a részecskék végsebességét, akkor a részecskét a gázáram magával sodorhatja, és előfordulhat, hogy „kifújja” a szénágyból. Ez viszont az ágy szilárdanyag-tartalmának csökkenéséhez vezethetne, éppen ezért a kezelt töltet károsulna. Ezért a gáznak az ágyon keresztülhaladási sebességét a tapasztalataink szerint úgy kell szabályozni, hogy a részecskék magával ragadását minimalizáljuk, sőt megakadályozzuk. A gáznak az ágyon keresztüli áramlási sebessége csökkenthető egyrészt azzal, ha a gáz elfogadható értékű tömegáramát (tömeg/idő) tartjuk fenn az anyagágyban, ez pedig elérhető azzal, ha a rendszer nyomását növeljük.

Az eljárás megindítása után a szénágyban a hőmérséklet rendre csökkenni fog. Annak érdekében, hogy a tömegáramot az ágyon keresztül kezelés közben szabályozhassuk, az egyik lehetőség, hogy csökkentsük a nyomást a rendszerben, ha a hőmérséklet csökken; a másik lehetőség pedig az, hogy csökkentjük a ventilátor sebességét, ha a hőmérséklet csökken.

Az 1. ábra szerinti kiviteli alaknál a munkaközeget cirkuláltató körbe a jelen esetben 62 gázhűtőt iktattunk. Ez a külső 62 gázhűtő két okból lehet előnyös:

- ha a gázt az 50 kezelőtartályba való visszavezetése előtt hűtjük, és a hűtött gázt vezetjük be az 50 kezelőtartály kúpos részébe, akkor még elegendő hőtartalma van a gáznak ahhoz, hogy ebben a kúpos szakaszban kellően lehűtse a szenet. Ez előfeltételezi azonban, hogy a találmány szerint a hőátadó 53 lapok lenyúljanak az alsó kúpos 52 kiömlőrészbe;

- ha a gázt a hűtés kezdeti szakaszában alacsonyabb hőmérsékletre hűtjük, akkor lehetőség van arra, hogy az illékony szerves anyagokat kondenzálva eltávolítsuk a gázáramból.

A találmány szerinti eljárás foganatosítható atmoszferikus nyomáson, vagy atmoszferikus nyomás fölötti nyomásokon. Ha az áramlási viszonyok helyesen vannak megválasztva, a 60 ventilátor mérete csökkenthető, és adott esetben a 60 ventilátor akár az 50 kezelőtartályon belül is elrendezhető. Ezzel az intézkedéssel ugyan kissé körülményesebbé válnak a karbantartási munkák, viszont a teljes berendezés kisebb helyigényűvé válik.

Az 1. ábra szerinti berendezés nitrogént elvezető csővezetékei adott esetben társíthatok egy vagy több leválasztóciklonnal. A ciklonok révén az anyagágyból magával ragadott szilárd szénrészecskék leválaszthatók a nitrogénáramból. Ilyen elrendezésnél nagyobb gázáramokat is alkalmazhatunk a szénágyon keresztül, hiszen a véletlenül magával ragadott részecskék egyszerű módon leválaszthatók a gázáramból.

A fentiekben ismertetett eljárás szakaszos eljárás, amelynél tehát a szilárd anyagtöltet beadagolása és ürítése határozza meg valójában a ciklusidőt. Megjegyezzük azonban, hogy az 1. ábra szerinti berendezés adott esetben folyamatos üzemmódban is működtethető.

A hőátadó 53 lap speciális példakénti kiviteli alakját tüntettük fel a 6. ábrán, amely az 1. ábra szerinti 50 kezelőtartályban sorozatban van elrendezve. Ennek 71 és 72 fűtőcsöve van, amelyek a hosszuk mentén hővezető 73-78 összekötő lemezekkel vannak összehegesztve, hogy ezáltal növeljék a hőátadó felületet. A 73-78 összekötő lemezek a gyártás megkönnyítése érdekében egymást átlapolhatják szabályos távközöknél. Adott esetben a 73-78 összekötő lemezek mentén bevágásokat is alkalmazhatunk. A 71 és 72 fűtőcsövek a jelen esetben U alakúak, és ezek 79 és 80 járatokat képeznek, amelyeken keresztül a hőátadó közeg keringtethető, és ezáltal az anyagoszlop fűthető, vagy hűthető. A 6. ábrán feltüntetett kivitelű 53 lap alkalmazható az 1-5. ábrák szerinti első példakénti alakú berendezésnél, vagy a 8-12. ábrák szerinti kiviteli alaknál.

A fenti leírásban már említettük, hogy munkaközegként a jelen esetben nitrogént alkalmaztunk. Megje8

HU 223 757 Β1 gyezzük azonban, hogy munkaközegként sok más anyagot, főleg más gázokat is alkalmazhatunk, például két vagy több gáz keverékét, vagy olyan gázok is alkalmazhatók, amelyek finom port, cseppeket és/vagy finom szilárd anyagrészeket tartalmaznak.

A 7-12. ábrákon a találmány szerinti berendezés másik példakénti kiviteli alakját tüntettük fel, amely szén víztelenítésére való. Ennek 20 kezelőtartálya (reaktora) van, amely az anyagoszlop, azaz a szénágy nyomás alatti hevítésére való, a szén víztelenítése céljából. A 20 kezelőtartálynak külső 10 palástja, valamint egymással párhuzamos és függőleges 12a-12h lapjai vannak, amelyek a 20 kezelőtartály hengeres belső terében vannak elrendezve. A 8. ábrán viszonylag nagyobb léptékű keresztmetszetben nyolc ilyen lapot szemléltettünk a 20 kezelőtartályban, megjegyezzük, hogy a lapok száma ennél lehet kisebb vagy nagyobb. A 12a-12h lapok mindegyikének két-két, 14a-14h, valamint 15a-15h járata van, amelyeken keresztül a hőátadó közegként például olaj áramoltatható.

A 20 kezelőtartálynak szuszpenzió és olaj beadagolására való 22 adagolólapja van, amely a felső részében van elrendezve. A hőátadó 12a-12h lapok a 22 adagolólapon kampón és láncon vannak függesztve (a 7. ábrán csak a 12a lapot szemléltettük), és ezek a kampók a 22 adagolólap kerülete mentén helyezkednek el. Megjegyezzük, hogy bármely más függesztőegység vagy támasztóegység alkalmazható arra, hogy a 20 kezelőtartályban függessze vagy támassza a 12a-12h lapokat. A 7. ábrán a 12a lapot szaggatott vonallal jelöltük. Amint itt jól látható, a 12a lap a 20 kezelőtartály hosszának nagy részén végigér. Külön nem ábrázolt forróolaj-forráshoz 24 tápvezeték kapcsolódik, amely külön ugyancsak nem ábrázolt elosztóidomon keresztül olajat adagol a 12a-12h lapokhoz. Az olajfelesleg visszavezetését olaj-visszatérítő 23 vezeték végzi.

Adott esetben a 20 kezelőtartály hosszúsága lehet 7 m, az átmérője pedig 1 m. A 20 kezelőtartálynak gáz/folyadék 56 beömlőcsöve van, amelynek révén a 20 kezelőtartályba a nyomás alatti közeg és/vagy munkaközeg adagolható.

A találmány szerinti berendezés további fontos jellemzője, hogy az első kiviteli alakhoz hasonlóan a 20 kezelőtartálynak is van munkaközeg-cirkuláltató egysége. A jelen esetben is nitrogént alkalmaztunk munkaközegként, amelyet a cirkuláltatóegység keringtet a 20 kezelőtartályban. Az első kiviteli alakhoz hasonlóan itt is a munkaközeget keringtető E egységnek 58 kiömlése, 59 beömlése és 60 ventilátora van.

A 20 kezelőtartálynak a szénnel való feltöltése megkönnyítése céljából 25 garatról gondoskodtunk, amely a 20 kezelőtartály fölött és attól oldalra eltoltan van elrendezve. A 25 garat 20 kezelőtartályhoz képesti oldalirányú eltolásának az az indoka, hogy ezáltal lehetővé tegyük a hőátadó 12a-12h lapok bármelyikének az egyenkénti, vagy ezek csoportos eltávolítását a karbantartási vagy felújítási munkáknál. A 25 garat a 20 kezelőtartállyal 26 csövön keresztül van összekötve, így azon keresztül a 25 garatból a szén a 20 kezelőtartályba adagolható 26a adagolószelepen keresztül.

A beadagolás közben a szén a 12a-12h lapok között kiképzett függőleges terekben halad lefelé, és anyagoszlopként kitölti a 20 kezelőtartályt, és amely anyagoszlopban a széndarabok egymással érintkeznek.

A 20 kezelőtartálynak alsó 27 ürítőkúpja van, amely lehetővé teszi a már kezelt szén eltávolítását. Amikor a 20 kezelőtartály ömlesztett szénnel feltöltött állapotban van, a 27 ürítőkúp is szénnel van töltve. A szén megfelelő kezeléséhez a találmány értelmében a 27 ürítőkúpba is lenyúlnak a hőátadó 12a-12h lapok, amint arra fentebb már utaltunk (9. és 10. ábra). A 27 ürítőkúp 27a csövön keresztül 29 hűtődobra csatlakozik, és a 27a csőben 28 ürítőszelep van elrendezve.

A szén kezelésének befejezése után a szenet a 28 ürítőszelepen keresztül a 29 hűtődobba adagoljuk, ahol a forró szenet 70 °C-os hőmérséklet alá hűtjük. A 29 hűtődob lehet az 7. ábra szerinti tartályszerű kialakítású. A kívánt hőmérsékletre hűtés után a kezelt szenet 30a csőbe épített 30 kiömlőszelepen keresztül távolítjuk el a berendezésből.

A 7. ábra szerinti berendezés működésmódja a következő.

Miután a 20 kezelőtartályt feltöltöttük az ömlesztett szénnel, lezárjuk és nitrogénnel túlnyomás alá helyezzük, egyúttal forró hőátadó olajat adagolunk a 12a-12h lapok 14a-14h és 15a-15h járataiba hőátadó közegként. Továbbá, működtetjük a cirkuláltató E egységnek a 60 ventilátorát, és a 20 kezelőtartályban áramoltatjuk munkaközegként a nitrogént az 59 beömléstől az 58 kiömléshez, és az azok közötti anyagoszlopon keresztül, majd újra visszavezetjük az 59 beömlésen keresztül a 20 kezelőtartályba.

A hőátadó közegként itt szereplő forró olaj hőmérsékletét, például 350-380 °C közöttire választjuk. Megjegyezzük, hogy különböző típusú szenekhez és más szilárd anyagok kezeléséhez értelemszerűen más fűtőközeg-hőmérsékletek lehetnek célszerűek. A forró olajat adott esetben beadagolhatjuk a 12a-12h lapok 14a-14h és 15a-15h járataiba a 20 kezelőtartály feltöltése előtt, de adott esetben a forró olaj beadagolása történhet a szénnek a 20 kezelőtartályba történő betöltése közben, vagy azt követően is.

A hőátadó 12a-12h lapok a jó hővezető képességük miatt gyorsan felmelegednek, lényegében az olaj hőmérsékletére (az egymást követő üzemciklusokban a lapok már forrók). Ezt követően a forró 12a-12h lapok átadják a szénnek a hőtartalmukat, és a cirkuláltatott nitrogén munkaközeg hatásosan fokozza ezt a hőátadást. A szén hőmérséklete eközben rendre nő, egyúttal megkezdődik a tömörítési művelet is, és a szén szerkezeti átrendeződéséből adódó erők hatására a szén a vizet kezdi leadni. A szénnek a 20 kezelőtartályban az előírt időintervallum alatti tartása révén, vagy tartása után a 20 kezelőtartályt kilevegőztetjük, és megszüntetjük az abban uralkodó túlnyomást, majd a kezelt szenet a 29 hűtődobba adagoljuk, ahol azt a környezeti hőmérsékletre lehűtjük, és végül is a berendezésből eltávolítjuk a kereskedelmi forgalmazás, vagy további feldolgozás, például brikettálás céljából.

A 9. és 10. ábrán a 7. ábra szerinti megoldás részle9

HU 223 757 Β1 te, nevezetesen az a 27 ürítőkúp két vázlatos kiviteli elrendezése látható, ahol a 12a-12h lapok sajátos kialakítási és elrendezési változatait vékony szaggatott vonallal jelöltük. A 27 ürítőkúpban a lapelrendezés tehát olyan, hogy az abban lévő szén a kezelés közben az előírt hőmérsékletre legyen hevíthető. A 9. ábra szerinti elrendezésnél látható, hogy a 12 lapok a 27 ürítőkúpba különböző mértékben nyúlnak le, legmélyebben a középen elrendezett függőleges lapok nyúlnak a 27 ürítőkúpba. A 9. ábra szerinti elrendezéssel elérjük, hogy a szén szabadon tud keresztülhaladni a 27 ürítőkúpon, ugyanakkor jó hőátadást biztosítunk a 27 ürítőkúpban lévő szén számára. A 10. ábra szerinti kiviteli változatnál viszont a 12 lapok alsó része követi a 27 ürítőkúp alakját. Ennél az elrendezésnél a lapok ugyancsak különböző mértékben nyúlnak a 27 ürítőkúpba, hogy ezáltal biztosítsuk a szén szabad keresztülhaladását.

A 11. ábrán felülnézetben és viszonylag nagyobb léptékben szemléltettük a 27 ürítőkúpot. Amint itt látható, 12a-12h lapok radiális irányban vannak rögzítve a 27 ürítőkúpban. A 12a-12h lapok saját olajbevezető járatokkal lehetnek ellátva (nem ábrázoltuk), vagy adott esetben közösen láthatók el olajjal, például a 7. ábrán látható 24 tápvezetéken keresztül.

A 8. ábrán feltüntetett 12a-12h lapok keresztmetszetben változó méretűek, és így képezik a 14a-14h, illetve 15a-15h járatokat a hőátadó közegként szereplő fűtőolaj számára. Megjegyezzük azonban, hogy bármely más lapkeresztmetszet is alkalmazható.

A lapok további kiviteli változatait tüntettük fel a 12a-12g. ábrákon.

A 12a. ábrán szemléltetett L lapnak szélesebb középső 34 szakasza van, ez központi 35 járattal van ellátva, és a 36 és 37 végei felé elvékonyodik. A 12b. ábrán hasonló L lapot szemléltetünk, amely azonban paralelogrammaként van kialakítva, és egyetlen központi 35 járattal van ellátva. A 12c. ábrán olyan L lapot szemléltettünk, amelynek a kiszélesedő középső 38 részén négyszögletes 39 járata van, és 40,41 végei felé elvékonyodik.

A 12d. ábrán olyan további L lap keresztmetszet látható, amely lényegében hasonlít a 8. ábrán szemléltetett lapokhoz, itt is körkörös keresztmetszetű 42 és 43 járatokat alkalmaztunk. A 12e. ábrán olyan L lap keresztmetszetet szemléltettünk, amely lényegében kettőzött változata a 12c. ábrán feltüntetett kiviteli alaknak; ennél 44 és 45 járatokat alkalmaztunk, amelyek a lap két kiszélesedő részében vannak kialakítva, ezektől befelé és kifelé a keresztmetszet vékonyodik. A 12f. ábrán látható L lap ismét további kiviteli változata, amely hasonló a 12e. ábra szerinti kiviteli alakhoz, de itt lényegesen vastagabb a lap, és emellett 46 és járatait nagyobb átömlési keresztmetszetűre választottuk. Végül a 12g. ábrán téglalap keresztmetszetű L lapot ábrázoltunk, amely körkörös keresztmetszetű és 49 járatokkal van ellátva.

A 7-12. ábrákon feltüntetett kiviteli alakok számos más változata és kombinációja is lehetséges. Hangsúlyozzuk, hogy a 12a-12h lapok közötti távköz változhat a lapok anyagának hővezető képességétől, a kezelőtartályba beadagolt szilárd anyag folyóképességétől és a kezelési időtől függően. A lapok vastagsága ugyancsak széles határok között változhat.

A 12a-12h és az L lapok vastagságának növekedésével értelemszerűen nő a lapok hőkapacitása, ezzel pedig elpárologtathatjuk azokat a cseppeket, amelyek a reakciók során képződnek. Ebben a vonatkozásban utalunk arra, hogy a vastagabb lapoknak nagyobb a hőtehetlensége is, és ez csillapíthatja, illetve kiegyenlítheti az eljárás entalpiahatásait.

A 12a-12h lapok elrendezhetők lényegében függőlegesen a 20 kezelőtartályban (lásd 7. és 8. ábra). Megjegyezzük azonban, hogy a 12a-12h lapok adott esetben elrendezhetők vízszintesen, vagy ferde alakzatban is. Ha a lapok függőlegesen vannak elrendezve, akkor a gravitáció révén üríthetjük a 20 kezelőtartályból a kezelt szilárd anyagot. Olyan kivitel is lehetséges, amelynél a 12a-12h, illetve az L lapok felületéből egy vagy több keresztirányú nyúlvány áll ki, hogy ezzel javítsuk a szilárd anyagra történő hőátadást. Bármelyik ilyen keresztmetszetű nyúlvány úgy rendezendő el, hogy azzal a szilárd anyag boltozódásának vagy beszorulásának veszélyét a minimálisra csökkentsük.

A 12a-12h és az L lapok célszerűen lazán helyezkednek el a 20 kezelőtartályban, és előnyösen csak annak az egyik végéhez kapcsolódnak, például, láncokon függeszthetők. A lapok között adott esetben alkalmazhatunk távtartókat, amelyek bizonyos lapelmozdulást lehetővé tesznek. Ez az elrendezés akkor biztosít elmozdulási lehetőséget a lapok számára, ha a lapok közötti áramlási csatornák egyike eltömődött, ilyenkor tehát a lapok elmozdulásával a teljes berendezés eldugulását vagy beboltozódását előzhetjük meg. Adott esetben a lapok mozgatására való járulékos szerkezeti egységről is gondoskodhatunk, így például kalapácsokról vagy vibrátorokról.

A hőátadó 12a-12h, illetve az L és az 53 lapok a kezelőtartályból egyenként vagy csoportosan eltávolíthatók, ezzel megkönnyítjük a lapok karbantartási munkáit vagy cseréjét. A lapok egyúttal képezhetnek szellőztető- vagy befecskendezőcsatornákat. A szellőztetőcsatornákon keresztül szelektíven szellőztethetjük a szilárd anyagot. A befecskendezőcsatornákon pedig szelektíven adagolhatunk különböző közegeket vagy szereket a szilárd anyagból képzett anyagágyba.

Mivel a 20 kezelőtartály külső palástjával teljesen független a fűtőberendezéstől (eltekintve a fűtőolajat befogadó vezetékektől), ezért szigetelőanyaggal burkolható (például hőálló burkolattal), és adott esetben kopásálló burkolattal is ellátható. Ezáltal lehetővé tesszük, hogy a szerkezeti fal hőmérsékletét 100 °C alatti hőmérsékleten tartsuk, ezáltal pedig jelentős anyagmegtakarítás érhető el a felhasznált acélban. A 20 kezelőtartály külső palástja a teljes nyomásra méretezendő, de az valójában „hideg” szerkezeti egységként üzemeltethető, vagyis nem kell számolni a reakcióhő hatására fellépő hőterhelési feszültségekkel.

A szakma átlagos szakembere számára nyilvánvaló a fenti leírásból, hogy az ismertetett példaként! kiviteli alakok számos változata és kombinációja is megvalósítható a fentiek alapján az igényelt oltalmi körön belül.

Claims (14)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Eljárás szilárd anyag melegítésére vagy hűtésére, amelynél a szilárd anyagot legalább egy, hőátadó közeg áramoltatására való járattal rendelkező kezelőtartályba adagoljuk, és abban a szilárd anyagtöltetből anyagoszlopot készítünk; hőátadó közeget vezetünk a kezelőtartálynak a legalább egy járatán keresztül, valamint munkaközeget adagolunk a kezelőtartályba, azzal jellemezve, hogy a munkaközeget az anyagoszlopon keresztül cirkuláltatjuk; e cirkuláltatási művelet során a munkaközegnek legalább egy részét eltávolítjuk a kezelőtartály legalább egy szakaszából, majd a munkaközeget visszavezetjük a kezelőtartály másik szakaszába, és ezáltal a hőátadó közeg és az anyagtöltet között, valamint a hőátadó közeg és a munkaközeg között közvetett hőátadást, viszont a munkaközeg és az anyagtöltet között a munkaközegnek az anyagoszlopon keresztüli cirkuláltatása révén közvetlen hőátadást végzünk.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a munkaközeg tömegáramát szabályozzuk, és a tömegáram növekedésével növeljük az anyagtöltet effektív hővezető képességét.
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a munkaközeg tömegáramának szabályozását úgy végezzük, hogy a munkaközeg egy vagy több sebességét, a kezelőtartályban uralkodó nyomást és a munkaközeg sűrűségét szabályozzuk.
4. 4. Az 1-3. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy munkaközegként gázt alkalmazunk.
5. 5. A 4. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a munkaközegként alkalmazott gáz tömegáramát szabályozzuk, és a tömegáram növelésével növeljük az anyagtöltet effektív hővezető képességét.
6. 6. Az 5. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a munkaközegként szereplő gáz tömegáramának szabályozását úgy végezzük, hogy a munkaközegként szereplő gáz sebességét és/vagy a kezelőtartályban uralkodó nyomást és/vagy a munkaközegként szereplő gáz sűrűségét szabályozzuk.
7. 7. A 4-6. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a munkaközegként szereplő gáz sebességét kisebbre választjuk az anyagoszlopban lévő anyagtöltet fluidizálási sebességénél.
8. 8. Berendezés szilárd anyag fűtésére vagy hűtésére, amelynek szilárd anyagoszlop képzéséhez szilárd anyagtöltetet befogadó belső teret határoló, külső palásttal ellátott kezelőtartálya, valamint a belső terében elrendezett, az anyagtöltet fűtésére vagy hűtésére alkalmas, közvetett hőátadó egysége van, azzal jellemezve, hogy a munkaközeget a kezelőtartályba (20; 50) adagoló egysége, valamint a munkaközeget az anyagágyon keresztül cirkuláltató egysége (E) van.
9. 9. A 8. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a munkaközeget a kezelőtartályban (20; 50) cirkuláltató egységnek (E) legalább egy, a munkaközeget a kezelőtartályból eltávolítani képes kiömlése (58) , valamint legalább egy, a munkaközegnek a kezelőtartályba (20; 50) való beadagolását biztosító beömlése (59), továbbá a munkaközeget az anyagágyon keresztül áramoltató egysége, főleg ventilátora (60) van, amely a munkaközeget az anyagágyon keresztül, a kiömléshez (58), valamint a kiömléstől a beömléshez (59) cirkuláltatni képes kialakítású.
10. 10. A 9. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kiömlés (58) a kezelőtartály (50) felső részén, a beömlés (59) pedig a kezelőtartály (50) alsó részén van kialakítva.
11. 11. A 8-10. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a közvetett hőátadó egységnek hővezető tulajdonságú anyagból készült lapjai (12a-12h; 53; L) vannak, ezek a kezelőtartály (20; 50) belső terében vannak elrendezve, továbbá minden lapnak (12a-12h; 53; L) legalább egy, hőátadóközeg-áramoltató járata (14a-14h, 15a-15h; 35; 39; 42, 43; 44, 45; 46, 47; 48, 49; 79, 80) van.
12. 12. A 11. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a lapnak (53) a járatai (79, 80) között legalább egy, hővezető összekötő eleme, előnyösen összekötő lemeze (73-78) van.
13. 13. A 11. vagy 12. igénypont szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a lapok (12a-12h; 53; L) egymástól távközzel vannak elrendezve, és a szomszédos lapok (12a—12h; 53; L) a kezelőtartály (20; 50) feltöltési és ürítési üzemállapotában az anyagtöltet keresztüláramlását engedő csatornákat határolnak.
14. 14. A 8-14. igénypontok bármelyike szerinti berendezés, azzal jellemezve, hogy a kezelőtartályba (20; 50) az anyagtöltetet beadagoló egysége, főleg szelepegysége (88), valamint a kezelt anyagtöltetet a kezelőtartályból (20; 50) eltávolító ürítőegysége van.