NO156542B

NO156542B - Fremgangsmaate for avkjoeling og flytendegjoering av en metanrik gasstroem.

Info

Publication number: NO156542B
Application number: NO830540A
Authority: NO
Inventors: Robert James Rentler; David D Sproul
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1982-02-18
Filing date: 1983-02-17
Publication date: 1987-06-29
Also published as: CA1177382A; NO156542C; OA07325A; EP0087086B1; MX162064A; MY8600730A; AU1088783A; EP0087086A1; JPS6155024B2; US4404008A; JPS58153075A; DE3361510D1; AU535756B2; NO830540L

Description

Fremgangsmåte og apparat til å styre temperaturen og kraft-

forbruket i et fluidisert lag av elektrisk ledende karbon-

partikler.

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og et

apparat til å styre, kraftforbruket d.v.s. energiforbruket i elektrisk oppvarmede fluidiserte lag. Den angår også en fremgangsmåte og et apparat til å styre temperaturen i elektrisk oppvarmede fluidiserte lag, spesielt de som normalt opererer ved høye temperatur-

er hvor normale fremgangsmåter til styring av temperaturen er util-strekkelige...

Elektrisk oppvarmede fluidiserte lag av elektrisk ledende karbonpartikler er kjent i faget. Eksempler på slike lag er vist i U.S. patent 2.948.587 og 3.OO9.78I. De kan anvendes for mange forskjellige kjemiske prosesser, f .eks'., fremstilling av hydrogen-cyanid, carbondisulfid, titantetraklorid og andre verdifulle kjemi-kalier. Mange av disse prosesser krever høye temperaturer, f.eks. temperaturer over 1000° C. I mange av dem må også disse temperaturer kunne styres med stor nøyaktighet!

Hittil har den mest alminnelige fremgangsmåte.- til å styre kraftforbruket .og .temperaturen i ..qi ■ elektrisk oppvarmet fluidj.s«rt Ing vært.veri ;å -variere' den p&trykte spenning.'- Dette er -ikke-hélt - ~ tilfredsstillende fordi -hverkeli kontinuerlig og heller ikke tilstrekkelig nøyaktig styring-.er mulig med en trinnvis spennings- - regulator», o"g kontinuerlig variable eller trinnløse re"gulatorer som er istand til å håndtere -den; nødvendige belastning for et elektrisk ; .. oppvarmet lag i en frøy temperatur-kbmmersiell prosess er ikke øko-nomisk mulig. Visse typer trinnløse spenningsregulatorer kan også frembringe uønskede overharmoniske spenninger.

En annen variabel faktor, tilførselshastigheten av den fluidiserte gass, har også vært gransket nøye som en temperatur-styreanordning. Man har funnet at forandringer i lagtemperaturen kan oppnås ved å variere med hastigheten på gasstrømmen innenfor-, visse fluidisasjonsområder. Dog er denne fremgangsmåte meget ube-regnlig og gir i beste fall et snevert område som temperaturen kan styres over. I tillegg er det ofte uønsket å forandre gassmengden som går inn i laget i prosesser hvor fluidiseringsgassene er reak-sjonsmidler fordi en forandring i gasstilførselshastigheten med-fører en forandring i reaksjonsmiddelmengden, og derved en forandring i produktmengdene.

Hvis reaksjonsvarmen i det hele tatt er nevneverdig,, vil forandring i mengden av reaksjonsmiddel-tilførselen forårsake en stor forandring i varmebalansen, hvilken forandring kan ha en tendens til å utligne enhver temperaturstyring som man har fått ved å variere, fluidiseringshastighetene.

Oppfinnelsen gir en fremgangsmåte til temperaturstyring for elektrisk oppvarmede fluidiserte lag av elektrisk ledende karbonpartikler, hvilken fremgangsmåte ikke har de mangler som er iboende i en styring som varierer den tilførte spenning eller fluidiseringshastigheten. I en foretrukken utførelse gir oppfinnelsen en fremgangsmåte til å styre temperaturen hvori temperaturen ikke måles direkte, og vanskelighetene ved å måle høye temperaturer således unngås.

Et apparat for utøvelse av de ovenfor nevnte fremgangsmåter er også skaffet tilveie ved hjelp av oppfinnelsen.

Oppfinnelsen består av en fremgangsmåte til å styre temperaturen og kraftforbruket i et fluidisert lag av elektrisk led-

ende karbonpartikler, hvilket lag opphetes ved at det sendes en elektrisk strøm gjennom det og det måles en parameter som er enten (1) lagets temperatur eller (2) lagets gjennomsnittlige kraftforbruk over et tidsforløp på minsl? 10 sek. og fremgangsmåten er kjennetegnet ved at mengden 'av karbonpartikler i laget reguler-

es i samsvar med avvikelsene fra den ønskede verdi av den målte parameter, slik at mengden av karbonpartikler i laget økes når den målte parameter har en bayere verdi enn ønsket, og mengden av karbonpartikler 1-laget _reduser.es. når den målte parameter har en høyere; verdi érih ønsket.

Oppfinnelsen omfatter også et apparat for styring av temperaturen og kraftforbruket i et fluidisert lag av den be-

skrevne karakter, og som omfatter en anordning som regulerer mengden -a v "karbonpartikler i laget i samsvar méd forandringer i den målte parameter fra en ønsket verdi, slik at- mengden karbonpartikler blir øket når den-målte.parameter er mindre enn den ønskede verdi og redusert når den målte parameter er.-atørre enn den/ønskede verdi.

Tegningene viser apparater for temperaturstyring i hen- ... hold til oppfinnelsens prinsipp anvendt på en hydrogen cyanidovn av typen som er beskrevet.i U.S. patent nr. 3.O32.396. Fig. 1 viser apparatet som styrer i samsvar med det målte gjennomsnittlige kraftforbruk, mens fig. 2 viser apparatet som styrer i samsvar med den målte 'temperatur.

Det henvises nå til fig. 1 hvor 1 er en flytende lag-

reaktor tilsvarende den som er beskrevet i Kennedy'et al. patentet med elektroder 2, gassinntaksanordninger 3 °g et lag av elektrisk karbonpartikler _)•• Gass som inneholder karbonpartikler går ut av laget gjennom ledningBne 6 og går til syklonseparatoren 7> hvor-

fra karbonpartiklene faller ned i lagerbingen 8, mens karbonfrie gasser går ut gjennom ledningen 9 for produktseparasjon og videre-behandling. En alternativ fremgangsmåte, til å fjerne karbonpar-

tikler fra laget er avtrekkspipen 10 som forbinder den nedre del av laget med lagringsbingen 8. En hvilken som helst ennen kjent fremgangsmåte til å fjerne karbonpartikler fra laget kan også

anvendes. Fra tid til annen overføres karbonpartiklene i bingen 8

til bingen 12 ved hjelp av en passende transportøranordning 11.

Fra bingen 12 sendes partiklene gjennom en vibrasjonssikter 13

for å fjerne partikler med stor størrelse. De partikler som går gjennom sikten faller ned i lagringsbingen 14. Fra tid til annen tilsettes friske karbonpartikler til bingen 14 for å kompensere for partiklene som er fjernet av sikten 13 og for å gi styring under situasjoner hvor mere karbon midlertidig sendes inn i-laget enn det som tås ut.

En kW-måler 15 er innkoblet for å måle kraftforbruket i

det fluidiserte lag, og reguleres passende slik at den gir et signal som tilsvarer kraften som er brukt over en bestemt tidsperiode. Signalet fra denne kilowattmåler mates inn i en styreinnretning 16. Denne styreinnretning brukes til å styre ved hjelp av trykkluft hastigheten på .en stjernemater 17 slik at når kraftforbruket i laget øker, nedsettes stjernematerens matehastig-het, og når kraftforbruket avtar, øker stjernematerens matehastig-het. Denne stjernemater tar koks fra lagringsbingen 14 og over-fører den gjennom ledningen l8 til reaktoren, tømmer den inn i reaktoren gjennom en åpning 19 i veggen. Et termoelement 20 som er beskyttet på passende måte er plassert i laget. Det er forbundet med en temperaturskriver .21.

Den opptegnede temperatur sammenlignes visuelt fra tid

til annen med det nedtegnede gjennomsnitts kraftforbruk som man

-har fått fra styreinnretningen l6 for å sikre at ikke noen unor-

male forhold har hindret styringen. I den spesielle hydrogencya-nidprosess som er beskrevet er det ønskelig at man ikke slipper noe oksygen inn i reaksjonssonen. Det opprettholdes derfor en .inert atmosfære i alle beholdere som er forbundet direkte med den fluidiserte lagreaktor ved anordninger som ikke er vist på tegningen.

Apparatet som er vist på fig. 2 er i de fleste henseende tilsvarende den på fig. 1 med unntagelse av at kilowattmåleren 15

er sløyfet. Istedenfor mates signalet fra temperaturskriveren 21

inn i styreinnretningen l6 som styrer stjernemateren 17. Mengden av karbonpartikler.i laget justeres således i denne utførelse i samsvar med temperaturforandringer.

Som man kan se det fra beskrivelsen over for, kan temperaturen styres i henhold til oppfinnelsens fremgangsmåte i samsvar ! med forandringer i enten den målte temperatur eller det målte gjennomsnittlige kraftforbruk. Det er en forbindelse mellom kraftforbruk og temperatur i et fluidisert lag av typen som er beskrevet her som er avhengig av flere faktorer, såsom varmetapshastigheten fra laget til dets omgivelser, eksotermien eller endotermien til de kjemiske reaksjoner som finner sted inne i laget, og selvfølge-lig de kjente lover for energiomsetning.

Denne forbindelse har man funnet å være ganske konstant under normale forhold. Derfor kan enten temperatur eller gjennomsnitts kraftforbruk måles og målingene anvendes til å styre mengden av karbonpartikler i laget. En forandring av mengden av karbonpartikler i laget forårsaker en forandring i kraftforbruk, hvilket i sin tur forandrer temperaturen-.

Når man utøver styring i samsvar med forandringer i kraftforbruket i det fluidiserte lag er det viktig at kraftforbruket er en gjennomsnittsverdi over en tidsperiode. Målingen av kraften kan ikke være en øyeblikksmåling fordi elektrisk oppvarmede fluidiserte lag er karakterisert ved korte, voldsomme kraftvariasjoner. For å utjevne disse anvendes en egnet gjennomsnitts kilowattmåler som på et hvilket som helst tidspunkt gir en avlesning som er et gjennomsnitt av kraftforbruket over en fast tidsperiode som slutter i dette øyeblikk. (Ordet "kraft"

slik det er brukt her har sin vanlige mening, d.v.s. volt x ampere i tilfelle av likestrøm og volt x ampere x kraftfaktor i tilfelle av vekselstrøm). Et gjennomsnitt av kraftforbruket over 10 sek-under er tilstrekkelig i de fleste lag til å gi en avlesning som gjerne kan anvendes til styring. I noen tilfelle kan dog større avdempning være ønskelig og meget lenger gjennomsnittsperioder kan anvendes. I alminnelighet er det foretrukket å utjevne kraftforbruket over én periode på 30 sek. til 10 min., skjønt meget lenger gjennomsnittstider er mulige. Utjevningen av kraftforbruket er nødvendig uten hensyn til om strømmen som går gjennom laget er veks*, elstrøm eller.likestrøm.

Generelt er å foretrekke å variere mengden av karbonpartikler i samsvar med forandringer i det målte gjennomsnittlige kraftforbruk istedenfor forandringer i den målte temperatur. Elektrisk oppvarmede fluidiserte lag arbeider i alminnelighet med høye temperaturer, f.eks. på ca. 600 - l600°C, og i dette temperaturområde må målinger utføres enten ved hjelp av skjermede termoelemen-ter eller ved hjelp av optiske pyrometere som er adskilt fra reaktoren ved hjelp av tykke kvartsvinduer. Disse fremgangsmåter er ikke følsomme overfor små forandringer i temperatur med det resultat at temperaturforandringene kan nå storfe frøyder for de registreres. Små forandringer i gjennomsnitts-kraftforbruket kan derimot lett oppdages ved hjelp av en egnet kilowattmåler lenge før de tilsvarende temperaturforandringer har nådd en opptagbar størrelse. Styring kan således utøves mere nøyaktig hvis gjennomsnitts kraftforbruket måles.

Hvis man utøver temperaturstyring ved å variere mengden'" av karbonpartikler som svar på det målte gjennomsnittlige kraft- b\\ forbruk, er det tilrådelig at man også har en temperaturmåle-anordning i laget og periodisk forsikrer-, seg om at det er. variasjoner i den målte temperatur som tilsvarer alle nevneverdige store, forandringer i det målte gjennomsnittlige kraftforbruk. Dette på grunn av at forbindelsen mellom temperatur og kraftforbruk, skjønt den normalt er konstant for små temperaturområder, kan forandres på grunn av ytre faktorer. Eksempler på slike faktorer er for- " ". ^ andringer i reaktorens følsomme varmetap til dens omgivelser, ut-pregede forandringer i fluidasjonshastigheten eller en forandring fra en inert fluidisert gass til en gass som deltar i en sterk endo- eller eksotermisk reaksjon i det fluidiserte lag. Hvis man utøver styring ved å variere mengden av karbonet i samsvar med temperaturforandringer istedet for variasjoner i den målte gjennomsnittlige kraft, kompenseres det automatisk for disse ytre faktorer.

I noen prosesser kan.det være ønskelig å styre kraftforbruket i et fluidisert lag samtidig som den nøyaktige temperatur man får er relativt uten betydning. I slike tilfeller kan mengden av karbonpartikler i laget styres som svar på forandringer i det gjennomsnittlige kraftforbruk eller en beslektet parameter og sam-menligningen mellom registreringen av det gjennomsnittlige kraftforbruk med registreringen av lagstemperaturen er unødvendig.

Generelt er det selvfølgelig å foretrekke at man måler den parameter som anvendes til styring, d.v.s. temperaturen eller kraftforbruket,.kontinuerlig. Det er dog mulig å få ganske tilfredsstillende styring ved hjelp av periodiske målinger av den valgte parameter, idet hver måling etterfølges hvis nødvendig av en passende forandring i mengden av karbonpartikler i laget til å få verdien av den målte parameter til å vende tilbake til den ønskede verdi. En slik operasjonsfremgangsmåte er egnet for lag der forandringer i temperaturen og kraftforbruket har en tendens til å. være relativt. langsom eller av liten interesse. "

Det er ikke viktig hvorledes mengden av karbonpartikler

i laget reguleres og mange forskjellige framgangsmåter kan anvendes.

For eksempel kan karbonpartiklene fjernes fra laget- ved at de med-føres i fluidiseringsgassefie som forlater laget ved hjelp av bunn- , eller sideavtrekk eller ved hjelp av en kombinasjon av disse fremgangsmåter, og partiklene kan tilsettes enten over eller under lagoverflaten. Man kan utøve styring ved å holde enten hastigheten

på partikkelfjerningen eller partikkel-tilbakesendingen konstant,

'mens man varierer den andre hastighet i samsvar med forandringer i

•den målte temperatur, eller det gjennomsnittlige kraftforbruk. Det

...er selvfølgelig mulig å variere begge forhold, men en slik fremgangsmåte fører til unødvendig komplisert utstyr og er i alminnelighet ikke å anbefale. Fjerning og tilsetning av partikler kan utføres enten kontinuerlig eller periodisk. I de fleste tilfeller er det å foretrekke å fjerne partikler kontinuerlig og med en konstant hastighet og å tilslutte partiklene enten kontinuerlig eller periodisk med en variabel hastighet, idet man regulerer hastigheten ved hjelp av ..propors jonaletøStyrefremgangsmåter.

'Man har også-stenkt at partikler som tilsettes det fluidi--. serte lag i.denne styrefremgangsmåte først kan underkastes en hvilken som helst ønsket form for behandling.. I oppfinnelsens fore-trukne, f orm kan således partiklene fjernes fra det fluidiserte lag med en konstant hastighet, behandles og så sendes tilbake til lag-

et med en hastighet som varierer i forhold til temperaturen eller det gjennomsnittlige kraftforbruk. Behandlingene som partiklene utsettes for er avhengig av den prosess som finner sted i det fluidiserte lag og kan,omfatte størrelsesreduksjon (f.eks. ved sliping, delvis forbrenning eller utsikting av de større partikler), impregnering med en katalysator eller sammenblanding med ikke-elektrisk ledende partikler av et reaksjonsmiddel.

Eksempel.

Apparatet for temperaturstyringen som er vist på fig. 1

ble anvendt på en fluidisert lagtype hydrogencyanidreaktor som hadde et lag som inneholdt ca. 9^0 kg karbon. Den anvendte kilowattmåler var av Sangamo-typen "H"-varmeomformer som var regulert så den ga en utgangseffekt som varierte med gjennomsnitts-kraftforbruket i laget over en 5 min. periode.

Til å begynne med ble laget fluidisert med nitrogen, og en spenning ble satt på over élektrodene. Når laget hadde nådd det ønskede temperaturområde, ble nitrogenet erstattet méd ammoniakk,

propan og resirkulert produkthydrogen, og den endotermiske reak-

sjon mellom ammoniakken og propanet som fremstiller hydrogencya-

nid begynte. Når en stabil tilstand hadde inntrådt, fant man at et kraftforbruk på I5OO kW var nødvendig for å holde den ønskede lagtemperaturavlesning på ca. 1350°G.

Styreinnretningen ble derfor innstilt på å styre kraft-

forbruket til I500 kW. Karbonpartiklene ble kontinuerlig fjernet fra laget med en så og si konstant, hastighet gjennom ledninger 6

ved at de ble medført i fluidiseringsgassen. Bunnavtrekkarøret 10 som er vist på fig., 1 ble ikke anvendt. Hver gang kraftforbruket

i laget sank under 1400 kW ble materen 17 satt i gang og leverte karbonpartikler til laget med en hastighet på l8,l6 kg/time over en periode på 3 min. Reaktoren var i drift i 7 dager idet man anvendte bare denne fremgangsmåte for temperaturstyring,

hvoretter den ble-slått av for normalt vedlikehold og inspeksjon.

Fig. 3 viser det nedskrevne diagram over kraftforbruket

i reaktoren i en 24 timers periode slik det var registrert av kilowattmålereri 15. Skjemaet er direkte inndelt i kilowatt.

Materen ble satt i gang hver gang den inntegnede linje krysset

1400 kW/linjen i retning nedover. Det vil sees ut fra figuren at resultatet av igangsettingen av materen var en så og si. øyeblikke-ligoppoverforskyvning av kraftforbruket i laget. Under 24 timers perioden som er dekket av dette skjema, ble temperaturen i reak-

toren, som målt av termoelementet 20 og nedskrevet på et rundt skjema, konstant på ca. 136o°C uten noen tilsynelatende merkbar variasjon.

Claims

1. Fremgangsmåte for styring av temperaturen og kraftfor-

bruket i et fluidisert lag av elektrisk ledende karbonpartikler, hvilket lag opphetes ved at det sendes en elektrisk strøm gjennom det og hvor det måles en parameter som er enten lagets temperatur eller lagets gjennomsnittlige kraftforbruk over et tidsrom på minst 10 sek. karakterisert ved at mengden av karbonpartikler i laget reguleres i samsvar med avvikelsene fra den ønskede ,verdi for den målte parameter, slik at mengden av karbon-partiklet i laget økes når den målte parameter har en lavere verdi enn ønsket og mengden av karbonpartikler i laget reduseres når.den målte parameter har eh høyere verdi enn ønsket.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at mengden av karbonpartikler i fluidiserte lag reguleres ved tilføring og fjerning av partikler, hvorved de tilførte partikler har en gjennomsnittlig mindre størrelse enn de partikler som fjernes.

Apparat for styring av temperaturen og kraftforbruket i et fluidisert lag av elektrisk ledende karbonpartikler (4), hvilket lag blir oppvarmet ved at det blir sendt elektrisk strøm gjennom det, hvorved det er utstyrt med anordninger for måling av temperaturen (20,21) eller kraftforbruket (15) i laget, idet kraftforbruket måles som gjennomsnittlig forbruk over et tidsforløp på minst 10 sek., karakterisert ved en anordning (6, 10,l6,17,l8) for regulering av den mengde av karbonpartikler i laget som svarer til avvikelsene for den målte parameter fra en ønsket verdi, slik at mengden av karbonpartikler blir øket når den målte parameter er mindre enn den ønskede verdi og mengden karbonpartikler blir redusert når den målte parameter er større enn den ønskede verdi.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved en anordning (6,10) for fjerning av karbonpartikler fra laget med en førstehastighet og en innretning (17,18) for tilføring av karbonpartikler til laget med en annen hastighet, hvorved den ene av disse hastigheter er tilnærmet stabil og den annen hastighet varierer i avhengighet av avvikelser i målt kraftforbruk fra en verdi tilknyttet en ønsket temperatur.

5. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at innretningen til å fjerne karbonpartikler fra laget er et rør (6), beregnet på å føre fluidiserende gass og medførte karbonpartikler bort fra reaktoren.

6. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at innretningen til å fjerne karbonpartikler fra laget er et rør (10)og er beregnet på å fjerne karbonpartikler ved hjelp av tyngdekraften fra bunnområdet i det fluidiserte lag.

7. Apparat ifølge krav 4, karakterisert ved at hastigheten for fjerning av karbonpartikler fra laget er fast og at hastigheten for tilføring av karbonpartikler til laget er variabel og periodisk.