СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ МНОГОСТАДИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ПСЕВДООЖИЖЕННЫХ ТВЕРДЫХ ЧАСТИЦ
METHODS AND SYSTEMS FOR MULTISTAGE PROCESSING OF LIQUEFIED SOLID PARTICLES

Настоящее изобретение относится к способам и системам для многостадийной обработки псевдоожиженных твердых частиц. Более конкретно, но не исключающим образом, изобретение относится к способам и системам, в которых твердые частицы подвергаются непрерывной обработке в последовательности из емкостей для проведения технологических стадий, в которых для псевдоожижения твердых частиц используют поток сжатого газа.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
При реализации способов, включающих взаимодействия между твердыми частицами и газовой фазой, псевдоожижение твердой фазы под действием газовой фазы зачастую представляет собой подходящий для использования подход при достижении целей обработки. Технологию псевдоожиженного слоя самым различным образом используют во множестве коммерческих способов, включая, например, проведение реакций в системе газовая-твердая фазы, полимеризации, химические осаждения, прокаливание, высушивание, активирование катализаторов и другие способы. Во множестве данных способов используют манипуляции с плотной фазой, в особенности, псевдоожижение твердой фазы, в связи с благоприятными эксплуатационными характеристиками в отношении теплопереноса, массопереноса, кинетики реакции, физических манипуляций, физического размера, транспортирования твердых частиц и/или других факторов, получения которых можно добиться при помощи методик работы с псевдоожиженной твердой фазой. Данные факторы зачастую могут обеспечить проведение рентабельной обработки, приводящей к получению высококачественных продуктов.
Известен широкий ассортимент способов и устройств для псевдоожижения, используемых при обработке псевдоожиженной твердой фазы. Некоторые из них продемонстрированы на фигурах 1-3 прилагаемых чертежей, которые подробно описываются далее. Например, можно реализовать способ непрерывной обработки в результате непрерывной подачи твердых частиц в верхнюю часть емкости для обработки в псевдоожиженном слое, выпуска твердых частиц с другой стороны технологической емкости и подачи псевдоожижающего газа через днище емкости для обеспечения псевдоожижения твердых частиц.
Еще один тип технологической установки включает несколько емкостей для проведения технологических стадий, последовательно соединенных друг с другом при помощи перепускных каналов, проходящих между соседними емкостями для проведения технологической стадии. В каждой емкости имеет место своя собственная подача псевдоожижающего газа, формирующего псевдоожиженный слой из твердых частиц. Подвергаемый обработке твердый продукт можно непрерывно подавать в первую емкость для проведения технологической стадии при желательной постоянной объемной производительности. Совокупность твердых частиц, проходящих через систему, характеризуется временем пребывания, которое зависит от формы и размера индивидуальных стадий, а также и от объемного расхода.
Во множестве способов с использованием псевдоожиженного слоя время пребывания твердых частиц в системе является важным параметром и в желательном случае должно быть предсказуемым и одинаковым для всех твердых частиц, проходящих через систему. Однако, на практике достижение данных целей может оказаться трудным или невозможным вследствие наличия явлений проскока и задержки, которые становятся причиной прохождения некоторых твердых частиц через систему по более коротким траекториям, чем средние, и прохождения других твердых частиц через систему по более длинным траекториям, чем средние. Следовательно, обычно имеет место значительная вариация времен пребывания твердых частиц, подвергаемых обработке.
В соответствии с этим, было бы желательно разработать способы и системы для непрерывной обработки твердых частиц в псевдоожиженном слое, обеспечивающие получение лучшего контроля распределения времен пребывания частиц, подвергаемых обработке.
Вышеизложенное описание предшествующего уровня техники может включать догадки, обнаружения, осознания или открытия или ассоциации совместно с открытиями, которые не были известны на соответствующем уровне техники, предшествующем настоящему изобретению, но которые были предложены данным изобретением. На некоторые такие аспекты вклада изобретения может быть сделано конкретное указание в настоящем документе, в то время как другие такие аспекты вклада изобретения станут очевидными из его контекста. Просто из возможного цитирования документа в настоящем документе не делается никакого допущения того, что область данного документа, которая может достаточно сильно отличаться от области изобретения, является аналогичной области настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение предлагает новые способы и системы для непрерывной многостадийной обработки твердых частиц. Варианты реализации изобретения могут обеспечить получение хорошего контроля распределения времен пребывания частиц, подвергаемых обработке, и в некоторых случаях могут позволить добиться получения дополнительных преимуществ.
В одном аспекте изобретение предлагает способ непрерывной многостадийной обработки твердых частиц, который включает подачу твердых частиц в первую емкость для проведения технологической стадии в последовательности из емкостей для проведения технологических стадий, впуск псевдоожижающего газа в каждую из емкостей для проведения технологических стадий для псевдоожижения твердых частиц в емкостях и перемещение псевдоожиженной твердой фазы от первой емкости до других емкостей для проведения технологических стадий через перепускные каналы, соединяющие соседние емкости друг с другом, и выпуск твердых частиц из последней емкости в последовательности из емкостей для проведения технологических стадий. Способ дополнительно включает впуск псевдоожижающего газа в каждый перепускной канал, по меньшей мере, через одно входное отверстие для псевдоожижающего газа, расположенный в перепускном канале. Псевдоожижающий газ перепускного канала может способствовать движению потока псевдоожиженной твердой фазы через перепускной канал от одной стадии до соседней стадии и способствовать предотвращению возникновения преград.
В еще одном аспекте изобретение предлагает способ непрерывной многостадийной обработки твердых частиц, включающий подачу твердых частиц в первую емкость для проведения технологической стадии в последовательности, по меньшей мере, из пятнадцати емкостей для проведения технологических стадий, впуск псевдоожижающего газа в каждую из емкостей для проведения технологических стадий для псевдоожижения твердых частиц, присутствующих в емкостях для проведения технологических стадий, перемещение псевдоожиженной твердой фазы от первой емкости до других емкостей для проведения технологических стадий в последовательности через перепускные каналы, соединяющие соседние емкости друг с другом, и выпуск твердых частиц из последней емкости в последовательности из емкостей для проведения технологических стадий.
При желании псевдоожижающий газ в каждый перепускной канал можно впускать в направлении, поперечном направлению перемещения псевдоожиженной твердой фазы через перепускной канал, так чтобы имел бы место удар о стенку перепускного канала, противоположную местоположению входного отверстия для псевдоожижающего газа в перепускном канале. Некоторые варианты реализации изобретения включают подачу псевдоожижающего газа в каждое входное отверстие для газа из общей нагнетательной камеры. Варианты реализации способа изобретения могут включать циркуляцию теплоносителя или хладагента вокруг каждой емкости для проведения технологической стадии для нагревания или охлаждения псевдоожиженной твердой фазы в емкостях.
Один вариант реализации способа изобретения включает взаимодействие псевдоожижающего газа с псевдоожиженными твердыми частицами при перемещении через емкости для проведения технологических стадий. Еще один вариант реализации включает проведение реакции между псевдоожижающим газом и псевдоожиженными твердыми частицами при перемещении через емкости для проведения технологических стадий, при этом псевдоожижающий газ и твердая фаза демонстрируют наличие химической реакционной способности друг по отношению к другу.
Изобретение также предлагает системы для непрерывной многостадийной обработки псевдоожиженных твердых частиц, включающие, по меньшей мере, две емкости для проведения технологических стадий, расположенные в компоновке «бок о бок», при этом каждая емкость включает ограждающую стенку для вмещения псевдоожиженной твердой фазы, входное отверстие для псевдоожиженной твердой фазы, выходное отверстие для псевдоожиженной твердой фазы, по меньшей мере, одно входное отверстие для псевдоожижающего газа, и выходное отверстие для псевдоожижающего газа. Система также включает, по меньшей мере, один перепускной канал, соединяющий две соседние емкости для проведения технологических стадий для перемещения псевдоожиженной твердой фазы между двумя соседними емкостями.
В одном аспекте изобретения система включает общую целостную газораспределительную пластину, проходящую, по меньшей мере, через две емкости для проведения технологических стадий и образующую их днища. Газораспределительная пластина может сообщаться с источником подачи псевдоожижающего газа и может включать входные отверстия для псевдоожижающего газа, по меньшей мере, двух емкостей для проведения технологических стадий.
В еще одном аспекте системы изобретения система включает целостную или неразъемную опорную плиту, составляющую нижнюю часть ограждающей стенки каждой емкости для проведения технологической стадии и включающую верхнюю и боковые стенки перепускного канала.
В дополнительном аспекте изобретения система включает нагнетательную камеру, расположенную ниже, по меньшей мере, двух емкостей для проведения технологических стадий и, по меньшей мере, одного перепускного канала и обеспечивающую подачу псевдоожижающего газа в входные отверстия для газа, при этом каждое входное отверстие для газа может сообщаться с нагнетательной камерой, принимая из нагнетательной камеры псевдоожижающий газ. Данные нескольких аспектов изобретения, само собой разумеется, могут быть различным образом скомбинированы в одной системе.
При желании вариант реализации системы изобретения может включать, по меньшей мере, десять емкостей для проведения технологических стадий, расположенных в компоновке «бок о бок», а газораспределительная пластина может проходить через большинство емкостей и образовывать их днища. При желании газораспределительная пластина также может включать и входные отверстия для газа большинства из емкостей для проведения технологических стадий.
В некоторых вариантах реализации изобретения перепускной канал включает, по меньшей мере, одно входное отверстие для псевдоожижающего газа. Данный признак может способствовать перемещению твердых частиц через перепускные каналы. Газораспределительная пластина выборочно образует днище перепускного канала и включает, по меньшей мере, одно входное отверстие для газа перепускного канала. Данный признак обеспечивает получение удобной и эффективной структуры для снабжения перепускного канала входным отверстием для газа. При желании входное отверстие для газа или входные отверстия для газа перепускного канала могут обеспечить нагнетание псевдоожижающего газа непосредственно в перепускной канал.
В некоторых вариантах реализации изобретения система включает, по меньшей мере, двадцать емкостей для проведения технологических стадий, расположенных в компоновке «бок о бок», а газораспределительная пластина проходит через все емкости и образует их днища и обеспечивает опору для входных отверстий для газа всех емкостей. Система может включать пятьдесят и более емкостей для проведения технологических стадий. В зависимости от конкретной использованной конфигурации емкостей для проведения технологических стадий, которая может варьироваться, в некоторых вариантах реализации количество перепускных каналов может быть на единицу меньшим, чем количество емкостей для проведения технологических стадий.
При желании система, соответствующая изобретению, может включать неразъемную опорную плиту. Неразъемная опорная плита может включать нижнюю часть ограждающей стенки каждой емкости для проведения технологической стадии и верхнюю и боковые стенки перепускных канала или каналов. В одном подходящем для использования варианте реализации изобретения газораспределительная пластина может проходить ниже неразъемной опорной плиты и замыкать днища емкостей для проведения технологических стадий и перепускных каналов. Кроме того, при желании газораспределительная пластина может быть присоединена к неразъемной опорной плите съемным образом или может быть отодвинута от опорной плиты, что обеспечивает получение доступа к емкостям для проведения технологических стадий и перепускным каналам для проведения сервисных работ и технического обслуживания.
Для расширения диапазона возможностей по обработке варианты реализации многостадийной системы могут включать конструкции для контроля температуры, например, объем, охватывающий каждую емкость для проведения технологической стадии, которая может вмещать текучую среду, контролирующую температуру псевдоожиженной твердой фазы в соответствующей емкости для проведения технологической стадии. При желании система может включать замкнутый объем для текучей среды, контролирующую температуру, включающую объемы, охватывающие емкости для проведения технологических стадий, который необязательно может быть разделен на несколько областей, контролируемо выдерживаемых при температурах, различающихся при переходе к одной области от другой области.
Благодаря предложению в некоторых вариантах реализации интегрированной системы для многостадийной обработки материалов псевдоожиженных твердых частиц, где емкости для проведения технологических стадий в псевдоожиженном слое и соединяющие их друг с другом перепускные каналы интегрированы на общей платформе, изобретение делает возможным получение систем, обеспечивающих эффективное функционирование множества технологических стадий при оценке по факторам, таким как пропускная способность, падение давления и распределение времен пребывания. Наличие общей платформы может обеспечивать, например, прочная опорная плита, которая включает участки емкостей для проведения технологических стадий и перепускных каналов. В основании опорной плиты может находиться цельная газораспределительная пластина, включающая каналы отверстий для подачи газа, сообщающиеся с источником газа, которая образует перекрытие, проходящее через днища каждой емкости для проведения технологической стадии и каждого перепускного канала.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ НА ЧЕРТЕЖАХ
Некоторые варианты реализации изобретения и получения, и использования изобретения, а также и предпочтительный вариант изобретения подробно описываются в настоящем документе в качестве примера со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
фиг.1 представляет собой схематический вид с частичным вырезом известной одинарной емкости для проведения технологической стадии для непрерывной обработки псевдоожиженной твердой фазы;
фиг.2 представляет собой схематический вид с частичным вырезом для известной системы для многостадийной непрерывной обработки псевдоожиженной твердой фазы;
фиг.3 представляет собой увеличенный вид для части системы, продемонстрированной на фиг.2, изображающий известный вариант перепускания псевдоожиженной твердой фазы между емкостями для проведения технологических стадий;
фиг.4 представляет собой график распределения времен пребывания для двух известных систем для обработки псевдоожиженной твердой фазы;
фиг.5 представляет собой вид спереди с частичным вырезом для одного варианта реализации системы для непрерывной многостадийной обработки псевдоожиженной твердой фазы в соответствии с изобретением;
фиг.6 представляет собой сечение еще одного варианта реализации системы для непрерывной многостадийной обработки псевдоожиженной твердой фазы в соответствии с изобретением, которая во многих аспектах подобна варианту реализации, продемонстрированному на фиг.5, и выполнено в другом масштабе;
фиг.7 представляет собой вид сверху системы, продемонстрированной на фиг.6;
фиг.8 представляет собой частичный вид справа системы, продемонстрированной на фиг.6, при удалении ограждающей стенки;
фиг.9 представляет собой увеличенный вид для части «А» фигуры 6, изображающий перепускной канал между емкостями для проведения технологических стадий, при этом данный вид подобен увеличенному виду для части фиг.8, которая помечена подобным образом;
фиг.10 представляет собой схематический вид в перспективе для части системы фиг.6, изображающий возможную конфигурацию двух емкостей для проведения технологических стадий и связанных с ними перепускных каналов;
фиг.11 представляет собой увеличенный вид спереди сопла входного отверстия для псевдоожижающего газа, также известного под наименованием фурмы и подходящего для использования в многостадийной системе, продемонстрированной на фиг.6;
фиг.12 представляет собой увеличенный вид сверху части газораспределительной пластины, подходящей для использования в многостадийной системе, продемонстрированной на фиг.6;
фиг.13 представляет собой график, демонстрирующий возможные распределения времени пребывания для двух систем для обработки псевдоожиженной твердой фазы, соответствующих изобретению и включающих 60 стадий и 85 стадий, соответственно;
фиг.14 представляет собой график, демонстрирующий возможные распределения времени пребывания для систем с псевдоожиженной твердой фазой, характеризующихся различными количествами стадий.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном известном способе непрерывной обработки псевдоожиженных твердых частиц для термостатирования, химической или другой обработок можно использовать емкость для обработки в псевдоожиженном слое, такую как продемонстрированная на фиг.1. В данном способе твердые частицы непрерывно подают в верхнюю часть замкнутой цилиндрической технологической емкости через сопло для подачи твердой фазы и выпускают с другой стороны емкости через выходное отверстие для выпуска на фиксированной высоте. Позиция выходного отверстия для выпуска по вертикали в значительной степени определяет высоту массы твердой фазы в технологической емкости в условиях стационарного состояния. Псевдоожижающий газ подают в днище емкости через распределительную пластину, включающую сопла для газа, иногда называемые «фурмами», (не показаны), и выводят через верх технологической емкости. Вертикальную скорость потока газа контролируют, добиваясь псевдоожижения твердых частиц, и получающийся в результате псевдоожиженный слой твердой фазы в общем случае будет вести себя, в некоторой степени, подобно текучей среде.
При эксплуатации технологической емкости, продемонстрированной на фиг.1, твердую фазу в технологическую емкость можно подавать при постоянном объемном расходе через питающее сопло и дальше она вытекает из технологической емкости при том же самом постоянном объемном расходе через канал выходного отверстия для выпуска. Объем псевдоожиженного слоя твердой фазы в технологической емкости выдерживают на постоянном уровне V.
Псевдоожиженный слой твердой фазы можно подвергнуть тепловой обработке или химической реакции при помощи потока газа, используемого для псевдоожижения твердой фазы, или можно подвергнуть как тепловой, так и химической обработке. Технологическая емкость может быть охвачена обогревающей рубашкой в целях увеличения температуры псевдоожиженной твердой фазы до рабочей температуры, желательной для проведения реакции с движущимся потоком газа. Обычный режим существования псевдоожиженной твердой фазы демонстрирует наличие хороших характеристик теплопереноса, что может обеспечить получение достаточно однородного распределения температуры между газовой фазой и твердыми частицами по всему объему технологической емкости. Благодаря наличию эффективной конструкции нагревание или охлаждение, создаваемые рубашкой, охватывающей технологическую емкость, могут позволить добиться эффективного выдерживания псевдоожиженного слоя твердой фазы в температурных пределах, желательных для проведения либо эндотермической, либо экзотермической реакций. Данное желательное поведение может быть приписано действию факторов, таких как высокий коэффициент теплопередачи между стенкой технологической емкости и подвижным слоем псевдоожиженной твердой фазы и перемешивание, создаваемое благодаря псевдоожижению.
В большинстве способов с использованием псевдоожиженного слоя время пребывания твердых частиц в системе является важным параметром и в желательном случае должно быть предсказуемым и однородным для всех твердых частиц, проходящих через систему. Может оказаться желательным так называемый «режим поршневого потока», когда псевдоожиженная твердая фаза перемещается подобно поршню. Однако на практике достижения данных целей иногда бывает трудно добиться.
В способе обработки, проиллюстрированном на фиг.1, твердые частицы перемещаются через технологическую емкость от позиции подачи к позиции выпуска под действием движущих сил, таких как разность давлений, стимулы механической природы или выравнивание уровней псевдоожиженной среды. В псевдоожиженном слое твердые частицы участвую в непрерывном случайном движении друг по отношению к другу. Кроме того, псевдоожижающий газ формирует пустоты или «пузыри», которые придают частицам дополнительное движение. Одно следствие данного постоянного и случайного движения частиц заключается в том, что через технологическую емкость от точки подачи до точки выпуска индивидуальные частицы движутся по различным траекториям и в соответствии с конкретной траекторией, по которой может двигаться частица, перемещаются при различных скоростях. Следовательно, различные частицы характеризуются различным временем пребывания в технологической емкости, что может неблагоприятным образом повлиять на единообразие обработки.
Имея целью получение более одинакового времени пребывания частиц в технологической емкости, для ограничения движения частиц через технологическую емкость относительно одинаковой траекторией с ограниченным успехом использовали перегородки.
Еще один известный подход к получению режима поршневого потока для псевдоожиженных твердых частиц заключается в использовании нескольких технологических емкостей или стадий, последовательно соединенных в виде вертикальной конфигурации или горизонтальной конфигурации. Горизонтальная конфигурация может оказаться желательной для способов с использованием псевдоожиженного слоя газовая фаза-твердая фаза.
Один известный вариант реализации системы для непрерывной многостадийной тепловой или химической обработки в псевдоожиженном слое в виде горизонтальной последовательности схематически продемонстрирован на фиг.2 и 3.
Как продемонстрировано на фиг.2, технологическая система включает N емкостей для проведения технологических стадий, не все из которых продемонстрированы. Первая емкость для проведения технологической стадии помечена как «Стадия 1», последняя стадия помечена как «Стадия N», а последовательные промежуточные емкости для проведения технологических стадий помечены как «n», «n+1» и «n+2», соответственно. Известна технологическая система, которая включает вплоть до 12 емкостей для проведения технологических стадий, которые имеют одинаковый объем и могут эксплуатироваться при наличии одного и того же объема V твердой фазы псевдоожиженного слоя. При желании в альтернативном варианте емкости для проведения технологических стадий могут иметь различные объемы.
В системе, продемонстрированной на фиг.2, емкости для проведения технологических стадий соединяют друг с другом последовательно при помощи перепускных каналов, например, труб, проходящих между каждой емкостью для проведения технологической стадии и ее соседом, как это более подробно продемонстрировано на фиг.3. Каждый перепускной канал располагают непосредственно над уровнем газораспределительной пластины, которую для подачи псевдоожижающего газа в емкость для проведения технологической стадии обычно размещают в позиции днища емкости для проведения технологической емкости. Данная позиция является подходящей для содействия переносу более крупных частиц, присутствующих в псевдоожиженной твердой фазе, которые под действием силы тяжести могут опускаться в нижнюю область псевдоожиженного слоя и могут оказаться захваченными за разделительной стенкой.
В системе, продемонстрированной на фиг.2, твердый продукт, подвергаемый обработке, можно непрерывно подавать на стадию 1 при желательной постоянной объемной производительности, обозначаемой как r. Псевдоожиженную твердую фазу на стадии 1, имеющую объем V, подвергают обработке в течение среднего времени пребывания V/r, и она непрерывно перетекает, а при достижении стационарного состояния, перетекает последовательно со стадии на стадию при производительности r до конечной стадии N, откуда твердую фазу из системы непрерывно выпускают. Твердые частицы, проходящие через систему, характеризуются временем пребывания, которое зависит от формы и размера индивидуальных стадий.
r
В случае системы, включающей емкости для проведения технологических стадий, имеющие одни и те же форму и объем, обеспечивающие хорошее перемешивание частиц и характеризующиеся постоянным расходом при перемещении через систему, в том числе с одной стадии на последующую стадию, распределение времен пребывания частиц, которое можно обозначить как P(t), может быть определено теоретически или экспериментально.
i
r
r
Один пример подходящей для использования экспериментальной методики заключается в эксплуатации системы в условиях стандартного состояния при постоянной скорости подачи, а после этого введения в подаваемый поток определенного количества материала в виде частиц в качестве индикаторных частиц. Частицы введенного материала в желательном случае демонстрируют наличие одних и тех же физических характеристик, что и частицы, подвергаемые обработке, но также демонстрируют и наличие отслеживаемого признака, который отличает их от других частиц, подвергаемых обработке. Если данное количество индикаторных частиц будут вводить в течение известного короткого периода времени t в сопоставлении со средним временем пребывания частиц, подвергаемых обработке, T, то тогда при получении фактической функции распределения времен пребывания P(T) для совокупности подаваемых частиц может быть использовано проводимое во времени измерение количества трейсерных частиц, покидающих систему, которое может быть названо «функцией отклика на импульсное возмущение». Например, для исполнения функции трейсера небольшую партию частиц с темной окраской можно примешать к подаваемому исходному сырью в виде того же самого материала с белой или светлой окраской, а распределение во времени для частиц с темной окраской в материале на выходе можно определить в виде доли материала на выходе по методу колориметрии.
r
Что касается теоретических определений для случая функционирующих последовательно стадий с идеальным перемешиванием, называемых «идеальными стадиями», то соответствующие аспекты геометрии системы могут быть описаны математически при использовании дифференциальных уравнений. Решение или решения данных дифференциальных уравнений может привести к получению предсказанных функций распределения времен пребывания P(t), которые, само собой разумеется, ограничены случаем идеальных стадий и могут позволить, а могут и не позволить точно предсказать эксплуатационные характеристики реальных систем.
r
r
r
Некоторые типичные распределения времени пребывания частиц продемонстрированы графически на фиг.4, на которой показана зависимость процента совокупности частиц, выпускаемых из реактора, обозначаемого как P(t), от времени пребывания в реакторе t. Константа К обеспечивает нормирование ординаты для приведения площади под кривой к единице, так чтобы совокупная популяция составляла бы 1,0. Природа распределения обычно имеет значение при проведении обработки продукта, время пребывания которого в системе должно соответствовать параметрам, установленным для достижения желательного качества. Фиг.4 демонстрирует возможные распределения времен пребывания для технологических систем, включающих одну или две стадии, то есть, где N=1 и N=2. Как продемонстрировано на фиг.4, время пребывания нормировано с приведением к желательному времени пребывания T.
Для случая одной стадии перемешивания N=1 теоретические соображения предсказывают то, что стадию с идеализированным безупречным перемешиванием можно определить как характеризующуюся бесконечной скоростью перемешивания, так что каждая частица будет характеризоваться в точности идентичной вероятностью появления в позиции выпуска вне зависимости от того, где она будет находиться в заданный момент времени. Однако, данное состояние не может быть реализовано на практике. Тем не менее, для приближения к стадии с идеальным безупречным перемешиванием, может оказаться желательным стимулирование достижения в емкости для проведения технологической стадии высокой степени перемешивания.
r
r
r
Как показано на фиг.4 кривая P(t) начинается в ноле, поскольку ноль частиц покидают систему во время ноль. В реальной системе для частицы, поступающей в емкость для проведения технологической стадии, требуется некоторое время для отыскания точки выпуска. В соответствии с этим, для достижения точки выпуска любой частице в емкости для проведения технологической стадии потребуется конечное время, обозначаемое на фиг.4 как «∈». Кривая для N=2 характеризуется шириной функции P(t), которая представляет собой степень разброса для распределения времен пребывания в двухстадийной системе. При рассмотрении фиг.4 можно видеть то, что в моделированной одинарной емкости для проведения технологической стадии основной процент популяции частиц покидает систему по истечении времени пребывания, большего или меньшего, чем установленное время пребывания T. Данная вариация может быть приписана роли случайных соударений между частицами, что приводит к движению множества частиц через систему по относительно коротким траекториям, в то время как другие частицы движутся по более длинным траекториям.
r
В случае двухстадийной системы, включающей две технологические емкости, где N=2, статистическая вероятность того, что одна и та же частица будет двигаться по наиболее короткой траектории через первую стадию и также по наиболее короткой траектории через вторую стадию, существенно уменьшается. Из сопоставления кривых на фиг.4 можно видеть то, что в случае двух технологических емкостей, где N=2, может быть достигнуто более однородное распределение времен пребывания для частиц в технологической системе, что соответствует вероятности получения более высокого качества продукта. Существенно большее количество частиц характеризуется временем пребывания t, близким к желательному времени пребывания 1,00, и максимальный процентиль существенно смещается от времени пребывания, равного приблизительно 0,1 от желательного значения, к приблизительно половине от желательного времени. Однако, кривая распределения все еще является излишне широкой, что свидетельствует о том, что множество частиц могут характеризоваться нежелательными временами пребывания.
В соответствии с этим, изобретение может предложить новую систему для многостадийной обработки, характеризующуюся наличием множества емкостей для проведения технологических стадий, и которая, тем не менее, может обеспечить получение желательной кривой распределения времен пребывания для твердых частиц, подвергаемых в системе обработке. Например, только небольшие доли частиц могут характеризоваться нежелательно короткими или нежелательно долгими временами пребывания в системе.
Существуют известные примеры горизонтальных систем для многостадийной обработки в псевдоожиженном слое, включающих даже восемь стадий, но использование значительно большего количества стадий, по-видимому, не предлагали по самым разным причинам, включающим вопросы, относящиеся к экономической обоснованности.
Например, желательно не допустить возникновения перемешивания между соседними стадиями с попаданием материала с предшествующей стадии на последующую или с попаданием материала с последующей стадии на предшествующую, но в каждой точке перехода с одной стадии на следующую последовательную стадию псевдоожиженная твердая фаза должна проходить через отверстие или проход в стенке, разделяющей стадии, что может привести к появлению возможностей по перемешиванию между стадиями. Подходящими для использования при уменьшении возможного перемешивания между стадиями с попаданием материала с предшествующей стадии на последующую или с попаданием материала с последующей стадии на предшествующую, что может уменьшить эффективность, могут оказаться перепускные каналы между емкостями для проведения технологический стадий, имеющие значительную длину. Однако, ненадлежащая длина перепускных каналов между стадиями может оказаться невыгодной. В общем случае потребность в подавлении перемешивания между стадиями с попаданием материала с последующей стадии на предшествующую и с попаданием материала с предшествующей стадии на последующую свидетельствует о том, что разделение стадий простыми перегородками является непрактичным.
Кроме того, обычно желательно, чтобы площадь поперечного сечения прохода между стадиями была бы мала, что способствует подавлению перемешивания между стадиями с попаданием материала с предшествующей стадии на последующую и с попаданием материала с последующей стадии на предшествующую, но проходы с малой площадью поперечного сечения могут привести к возникновению преград, что в результате приведет к уширению функции распределения времен пребывания P(Tr).
Кроме того, в случае системы для многостадийной последовательной обработки каждый проход между стадиями обычно должен оставаться неперегороженным во избежание остановки или замедления технологического процесса. В случае появления в проходе преград было бы желательно иметь удобный доступ к каналу или другому проходу для устранения преграды.
n
n
Как показано на фиг.3, движущая сила, которая перемещает псевдоожиженную твердую фазу через систему, представляет собой обозначенное на фиг.3 как ΔН разность уровней псевдоожиженной твердой фазы между любой стадией n и последующей стадией n+1. Поскольку с точки зрения гидравлики псевдоожиженная твердая фаза ведет себя подобно жидкой фазе, в определенных аспектах показанная как Δh данная разность уровней между фазами является движущей силой для потока псевдоожиженной твердой фазы от стадии n до стадии n+1 через соединяющий их перепускной канал. В системе важно, чтобы падение давления при прохождении через каждый перепускной канал или другой соединительный элемент между стадиями было бы невелико, поскольку в последовательности стадий падения давления аддитивны.
m
m
Например, вариант реализации соответствующей изобретению системы для многостадийной обработки в псевдоожиженном слое может включать шестьдесят стадий, последовательно скомпонованных совместно с пятьюдесятью девятью перепускными каналами, соединяющими стадии друг с другом. В желательном случае при проведении манипуляций в технологическом процессе с указанным расходом от каждой стадии должно требоваться наличие одного и того же падения давления Δh. Если в данном случае, например, Δh будет составлять 0,25 дюйма псевдоожиженного продукта, то тогда разность давлений между уровнем псевдоожиженного слоя первой стадии N=1 и уровнем псевдоожиженного слоя последней стадии N=60 будет составлять 59×0,25 дюйма или 14,75 дюйма.
В некоторых случаях разность уровней псевдоожиженных слоев данной величины может оказаться неприемлемой с точки зрения обработки. В соответствии с этим, в еще одном варианте реализации изобретения система будет наклонена снизу вверх в направлении потока продукта, проходящего через систему, что обеспечит получение градиента, приводящего к гравитационному уменьшению разности давлений, необходимой для сохранения потока. Однако, в некоторых случаях наклон системы также может оказаться нежелательным с точки зрения технологии или обработки.
m
Изобретение также предлагает варианты реализации системы для многостадийной обработки в псевдоожиженном слое, использующие один или несколько перепускных каналов между стадиями, которые могут функционировать эффективно и надежно при относительно малых падениях давления при прохождении через перепускные каналы. Некоторые варианты реализации изобретения могут функционировать при значениях ΔH, равных одной шестнадцатой дюйма, то есть, 0,0625 дюйма, и менее.
Требование эффективного разделения стадий в целях подавления взаимного перемешивания между стадиями зачастую несовместимо с конструкцией канала, характеризующегося низким падением давления. В соответствии с этим, изобретение в некоторых вариантах реализации предлагает перепускной канал, характеризующийся низким падением давления, который, тем не менее, может эффективно ограничивать взаимное перемешивание между стадиями.
Дополнительная трудность, которую требуется преодолеть при создании системы для многостадийной непрерывной обработки в псевдоожиженном слое, заключается в том, что во многих областях применения многостадийной обработки желательно контролировать температуру нескольких псевдоожиженных слоев твердой фазы. Все слои в желательном случае могут иметь одну и ту же температуру, или для соответствия требованиям в конкретном способе, реализуемом в системе, может потребоваться наличие специального температурного профиля при переходе со стадии на стадию. Такие требования к температуре обычно удовлетворяли в результате обеспечения наличия средств нагревания или охлаждения вокруг стенок емкостей, образующих различные технологические стадии. Однако, известные средства нагревания или охлаждения, такие как пучки труб или обогревающие рубашки вокруг емкостей, могут оказаться излишне сложными, обременительными и дорогостоящими для многостадийной системы, включающей относительно большое количество стадий.
В соответствии с этим, для решения или уменьшения одной или нескольких данных проблем изобретение предлагает систему для непрерывной многостадийной обработки в псевдоожиженном слое и способ введения газовой и твердой фаз в контакт друг с другом в коммерческих областях применения, таких как вариант реализации системы, проиллюстрированный на фиг.5-12. Система может включать большое количество стадий, такое как от шести и более вплоть до сотен, и может обеспечить достижение хорошей однородности времени пребывания при рассмотрении всех частиц по отдельности.
Конкретный вариант реализации системы, продемонстрированный на фиг.5, представляет собой систему для шестидесятистадийной непрерывной обработки, где шестьдесят стадий скомпонованы последовательно от точки впуска исходного сырья до точки выпуска, как это продемонстрировано на фиг.7.
Как показано на фиг.5-10, проиллюстрированный вариант реализации многостадийной системы включает опорную плиту 10, имеющую нижнюю секцию 11 ограждающей стенки каждой емкости 12 для проведения технологических стадий, а также верхнюю стенку 42 и боковые стенки 40 каждого из нескольких перепускных каналов 18. Перепускные каналы 18 проходят между соседними емкостями 12 и образуют проходы, соединяющие последовательные емкости 12 для перемещения твердой фазы от одной емкости до другой. Перепускные каналы 18 имеются в достаточном количестве для соединения друг с другом емкостей 12 по желательной схеме. В случае одинарной последовательности емкостей 12 количество перепускных каналов 18, например, может быть на единицу меньшим, чем количество емкостей 12.
Опорная плита 10 в общем случае может включать плоскую плиту, от которой вверх выступают емкости 12 и перепускные каналы 18. Опорную плиту 10 можно изготовить в виде целостного неразъемного элемента из толстой металлической плиты или отливки из металла или тугоплавкого материала, или же она может иметь другую подходящую массивную структуру и при желании может составлять несущую конструкцию системы, образующую опору для других элементов системы. Один вариант реализации опорной плиты 10 можно изготовить в виде комплекса, включающего нижние секции 11 емкостей 12 и перепускные каналы 18 с использованием подходящего режущего оборудования, например, оборудования для гидроабразивной резки, при вырезании подходящих для использования отверстий, каналов или других форм из монолитных плиты или пластины из подходящего для использования материала.
В некоторых вариантах реализации опорная плита 10 может иметь толщину в диапазоне от приблизительно 25 мм до приблизительно 250 мм (толщину в диапазоне приблизительно от одного до десяти дюймов). При желании опорная плита 10 может быть более толстой, чем данные размеры, или может быть изготовлена в виде секций или компонентов или нескольких элементов, которые скрепляют друг с другом для получения конструкционного модуля, и при желании их необязательно можно будет отделить друг от друга. Некоторые компоненты опорной плиты 10 при желании можно скрепить друг с другом неразъемно в результате проведения сварки, клепки или по другим подходящим для использования способам. Опорная плита 10 может характеризоваться наличием любой комбинации совместимых признаков из данных признаков.
Как продемонстрировано, например, на фиг.5, опорная плита 10 при помощи фланцевого соединения может быть установлена над нагнетательной камерой 20, которая обеспечивает подачу сжатого псевдоожижающего газа в емкости 12. Между нагнетательной камерой 20 и опорной плитой 10 размещена газораспределительная пластина 22 для псевдоожижающего газа, которая распределяет псевдоожижающий газ по емкостям 12 и перепускным каналам 18.
Газораспределительная пластина 22 проходит ниже емкостей 12 и перепускных каналов 18 и обеспечивает опору для множества каналов входных отверстий для газа, которыми в продемонстрированном варианте реализации системы могут являться сопла 24 для нагнетания газа или фурмы. Псевдоожижающий газ в емкости 12 и перепускные каналы 18 подают через сопла 24 для газа, которые через газораспределительную пластину 22 сообщаются с вмещающей сжатый газ нагнетательной полостью или камерой 20. Газораспределительную пластину 22 можно сконструировать в виде общего целостного неразъемного элемента, обслуживающего все емкости 12, и при желании она необязательно может быть монолитной. В альтернативном варианте газораспределительную пластину можно изготовить из нескольких отдельных или отделяемых компонентов, которые необязательно можно собирать для получения целостного неразъемного элемента, предназначенного для использования. Газораспределительную пластину 22 можно изготовить из непрерывного листа стали, алюминиевого сплава или другого подходящего для использования материала или можно изготовить из двух и более листов, соединенных друг с другом.
В одном подходящем для использования варианте реализации изобретения газораспределительную пластину 22 может быть съемным образом присоединена к опорной плите 10. Например, корпус нагнетательной камеры 31 по периметру может иметь фланцы 25, которые сболчивают через газораспределительную пластину 22 для прикрепления корпуса нагнетательной камеры и газораспределительной пластины 22 к опорной плите 10 при размещении газораспределительной пластины 22 между корпусом нагнетательной камеры 31 и опорной плитой 10. После этого газораспределительную пластину 22 можно отделить от опорной плиты 10 в результате раскрытия сболченных фланцев и опускания газораспределительной пластины 22 и нагнетательной камеры 20 для получения хорошего доступа к перепускным каналам 18.
В альтернативном варианте для того, чтобы газораспределительную пластину 22 можно было бы легко открыть или удалить в целях получения доступа к внутреннему пространству системы для проведения очистки и технического обслуживания и тому подобного, могут иметься и другие подходящие для использования средства, например, петли или шарниры. В дополнительной альтернативной конструкции газораспределительную пластину 22 и нагнетательную камеру 20 можно сдвигать в горизонтальном направлении по отношению к опорной плите 10 в виде модуля или раздельно, например, по рельсовым направляющим, присоединенным к опорной плите 10. Газораспределительная пластина 22 и нагнетательная камера 20 могут быть сдвигаемыми в одном направлении для получения доступа к некоторым перепускным каналам 18 и емкостям 12 и сдвигаемыми в противоположном направлении для получения доступа к другим перепускным каналам 18 и емкостям 12.
Возможность удаления или открывания газораспределительной пластины 22 и нагнетательной камеры 20 обеспечивает получение удобного доступа к перепускным каналам 18 и внутренним пространствам емкостей 12 в целях устранения преград, проведения регламентных очистки и технического обслуживания и для других целей.
В желательном случае сопла 24 для газа компонуют по такой схеме, которая соответствует схеме нижних секций 11 множества емкостей для проведения технологических стадий и внутренних пространств перепускных каналов 18, и которая служит для подачи псевдоожижающего газа в емкости 12 и перепускной канал 18.
Схема размещения сопел 24 для газа и любые другие переменные характеристики, относящиеся к соплам 24 для газа, могут быть выбраны обеспечивающими нахождение псевдоожиженной твердой фазы в псевдоожиженном состоянии, в желательном случае при хорошей однородности псевдоожижения при прохождении псевдоожиженной твердой фазы через систему от одной емкости 12 до другой емкости 12 через перепускные каналы 18. Кроме того, в желательном случае схема размещения сопел 24 для газа на газораспределительной пластине 22 такова, что ни одно из них не будет находиться вне областей емкостей 12 и перепускных каналов 18. В одном варианте реализации изобретения никаких сопел 24 для газа не имеется в областях между индивидуальными емкостями 12 или в окрестности окружающих их стенок (которые будут описаны).
Как показано на фиг.9 и 11, каждое сопло 24 для газа, продемонстрированное в данном случае, включает фурму, имеющую шейку 26 и долговечную необязательно сплошную головку 28. Через шейку 26 проходит вертикальный питающий проход 27, а через головку 28 проходят один или несколько наклоненных сверху вниз проходов 30 радиального распределителя, сообщающихся с питающим проходом 27. Проходы 30 для газа соединены с полой шейкой 26 и выходят на нижнюю сторону головки 28 сопла для газа. Проходы 30 для газа необязательно могут иметься в количестве от двух до шести и могут быть равномерно распределены по окружности головки 28 сопла для газа. Каждое сопло 24 для газа проходит через распределительную пластину 22 и выходит в нагнетательную камеру 20, принимая из нагнетательной камеры 20 псевдоожижающий газ. Сопло 24 для газа выпускает принятый газ на перекрытии соответствующих емкости 12 или перепускного канала 18, на котором оно расположено, необязательно в нескольких направлениях, соответствующих количеству и расположению проходов 30 для газа. Головки 28 сопел 24 для газа в желательном случае имеют прочную и долговечную конструкцию, обеспечивающую противодействие постоянному истиранию движущимися псевдоожиженными твердыми частицами без возникновения неприемлемых повреждения или износа.
При желании вместо сопел 24 для газа могут быть использованы и другие каналы входных отверстий для псевдоожижающего газа, которые известны или станут известны специалисту в соответствующей области техники. Например, каналы входных отверстий для псевдоожижающего газа могут включать простые отверстия или перфорации в газораспределительной пластине 22. В желательном случае можно предусмотреть наличие определенных устройств, блокирующих или преграждающих отверстия или перфорации в целях недопущения падения сквозь них твердой фазы в случае отсутствия потока газа, например, в каждых отверстии или перфорации можно было бы разместить болт при неплотной посадке.
В одном варианте реализации изобретения сопла 24 для газа располагаются в прямоугольной сетке относительно близко друг к другу, например, при расстоянии между головками 28 соседних сопел для газа, которое равно не более, чем приблизительно ширине головки 28. Одна возможная компоновка сопел 24 для газа продемонстрирована на фиг.12. Как можно видеть на фиг.12, каждая емкость 12 включает прямоугольную сетку в виде 3×7 сопел 24 для газа, на каждом краю сетки в искривленной части секции емкости для проведения технологической стадии предусматривается наличие дополнительного более мелкого сопла 24 для газа, и дополнительное небольшое сопло 24 для газа предусматривается в каждом перепускном канале 18. Каждый перепускной канал 12 или некоторые перепускные каналы 12 могут быть снабжены двумя или более соплами 24 для газа или другими каналами входных отверстий для псевдоожижающего газа, при желании опирающимися на ту часть газораспределительной пластины 22, которая образует перекрытие для соответствующего перепускного канала 18.
Как уже утверждалось, газораспределительная пластина 22 может образовывать нижнюю стенку или перекрытие для емкостей 12, а также для перепускных каналов 18, при этом сопла 24 для газа выступают вверх в соответствующие емкости 12 и перепускные каналы 18. Как можно понять, в проиллюстрированном варианте реализации системы, соответствующей изобретению, газораспределительная пластина 22 проходит ниже любой индивидуальной емкости 12, через стенки емкостей, ниже пространства между соседними емкостями 12, ниже любых перепускных каналов, соединяющихся с индивидуальной емкостью и ниже одной или нескольких соседних емкостей. Однако, при желании могут быть использованы и другие конструкции газораспределительной пластины 22.
Нагнетательная камера 20 включает камеру со сжатым газом, заключенную в корпус 31 нагнетательной камеры и снабжаемую газом из трубы 32 для подачи газа. Нагнетательная камера 20 проходит ниже по существу всей поверхности распределительной пластины 22, являясь свободно доступной для питающего прохода 27 каждого сопла 24 для газа. При желании от нагнетательной камеры 20 разделительной стенкой 36 может быть отделена зона 34 подкачивания, которая сохраняет давление газа на первых емкостных стадиях системы во время запуска до того, как расположенные дальше на технологической схеме емкости 12 будут заполнены твердой фазой. Зона 34 подкачивания необязательно может иметь свою собственную трубу 38 для подачи газа. В некоторых вариантах реализации изобретения (не показаны) нагнетательную камеру 20 секционируют, при этом каждая секция обслуживает несколько сопел 24 для газа, питающих одну или несколько емкостей 12 или один или несколько перепускных каналов 18.
В одном варианте реализации изобретения нагнетательная камера 20 имеет достаточную вместимость для демпфирования флуктуаций по подаче газа и по потребности в нем и снабжения сопел 24 для газа источником газа постоянного давления.
Как показано на фиг.10, в опорной плите 10 вырезаны формы нижних секций 11 каждой емкости 12 и боковых сторон 40 и верхней стороны 42 каждого перепускного канала 18. Как показано, нижняя секция 11 каждой емкости 12 определяет вертикальное отверстие овальной формы, которое проходит через опорную плиту 10 с одной ее стороны до другой. Боковые стороны 40 и верхняя сторона 42 перепускного канала определяет канал с перпендикулярным сечением в нижней секции 11, который снизу незамкнут. Возможными являются различные формы емкостей 12 и перепускных каналов 18, что должно быть очевидно для специалиста в соответствующей области техники. Как уже утверждалось или подразумевалось, нижние секции 11 емкостей 12 и перепускные каналы 18 замыкаются газораспределительной пластиной 22. Сопла 24 для газа, опирающиеся на газораспределительную пластину 22, размещают на соответствующих прорезанных частях опорной плиты 10.
В желательном случае перепускные каналы 18 являются немного, если хоть сколько-нибудь, более длинными, чем это необходимо для эффективного подавления перемешивания между стадиями с попаданием материала с последующей стадии на предшествующую и с попаданием материала с предшествующей стадии на последующую, и в желательном случае также и достаточно длинными для полного вмещения, по меньшей мере, одного сопла 24 для газа. Перепускные каналы 18 могут иметь любую подходящую для использования высоту. В желательном случае каждый перепускной канал 18 имеет высоту, достаточную для прохождения потока твердых частиц, подвергаемых обработке, над соплом или соплами 24 для газа, расположенными в соответствующем перепускном канале 18. В подходящем случае высота и/или другие размеры одного или нескольких перепускных каналов 18 или всех перепускных каналов 18 также могут быть и такими, чтобы псевдоожижающий газ, впускаемый через сопло 24 или входные отверстия для газа, расположенные в соответствующем перепускном канале 18, ударялся бы о верхнюю сторону 42 перепускного канала и отклонялся бы в боковом направлении для облегчения движения потока твердой фазы через перепускной канал 18. В данном варианте реализации многостадийной системы все перепускные каналы 18 при желании могут иметь подобные размеры.
В альтернативном варианте размеры перепускных каналов 18 в данном варианте реализации системы могут варьироваться. В одном таком варианте реализации системы, подходящем для использования в способе, в котором псевдоожиженная твердая фаза становится значительно более плотной по мере прохождения через систему, например, в результате потери летучих компонентов или уплотнения или и того, и другого, некоторые расположенные дальше на технологической схеме перепускные каналы 18 изготавливают при меньших площадях поперечного сечения, что обеспечивает сохранение постоянной скорости потока псевдоожиженной твердой фазы при прохождении через многостадийную систему. При желании для уменьшения поперечных сечений каналов в некоторых способах в избранные перепускные каналы 18 можно вставить съемные вставки для каналов и тому подобное, которые из других каналов можно удалить.
Каждая емкость 12 дополнительно включает трубчатую верхнюю секцию 44, которая сопрягается с соответствующей нижней секцией 11 опорной плиты 10 и при желании в своем основании может быть с ней сварена или скреплена другим образом, что полностью укомплектовывает многостадийный массив емкостей 12. Верхние секции 44 и нижние секции 11 совместно определяют размер и форму каждой продемонстрированной емкости для проведения технологической стадии. Как показано, все емкости 12 имеют одни и те же размер и форму. Однако, емкости 12 при желании могли бы иметь и различные размеры или различные формы или как различные размеры, так и различные формы. Как показано на фиг.10, каждая емкость 12 имеет одинаковое поперечное сечение по всей своей высоте в форме удлиненного овала при гладко скругленных краях. Данная удлиненная форма с краями, которые внутри имеют гладкие контуры в направлении потока псевдоожиженной твердой фазы, как представляется, способствует эффективному функционированию многостадийной системы.
В общем случае желательно, чтобы внутренние поверхности системы, которые подвергаются воздействию движущихся твердых частиц, имели бы гладкие контуры, которые не будут препятствовать движению потока твердых частиц. Кроме того, в общем случае желательным является использование долговечных материалов, которые не будут подвергаться излишним эрозии или истиранию под действием движущихся твердых частиц, и которые там, где это будет уместно, смогут противостоять воздействию повышенных рабочих температур. В некоторых вариантах реализации изобретения может быть использована нержавеющая сталь, а подходящими для использования также могут быть и алюминий или другие сплавы.
Как продемонстрировано на фиг.7, пример варианта реализации системы, включает структуру из трех параллельных горизонтальных рядов емкостей 12, при этом каждый ряд включает двадцать емкостей для проведения технологических стадий. Шестьдесят емкостей 12 соединены друг с другом при помощи перепускных каналов 18, получая извилистую траекторию потока псевдоожиженной твердой фазы, проходящего через каждую емкость 12 в последовательности от отверстия 46 для подачи твердой фазы до отверстия 48 для выпуска твердой фазы. На фиг.7 для удобства обращения к ней емкости 12 последовательно пронумерованы от 1 до 60 в соответствии с последовательностью движения потока, в которой они соединены.
Перепускные каналы 18 могут быть соединены с емкостями 12 в компоновке «торец в торец» или «бок о бок». В конфигурациях, отличных от тех, которые продемонстрированы на фиг.7, перепускной канал 18 может быть соединен в компоновке «торец в торец» с одной емкостью 12 и в компоновке «бок о бок» со следующей емкостью 12. В свете данного примера и данного описания специалисту в соответствующей области техники будут или станут очевидными и другие компоновки и количества емкостей для проведения технологических стадий. Например, при другом взаимном соединении емкостей 12 перепускными каналами 18 траектория потока могла бы иметь Y-образную конфигурацию, где траектории двух более мелких потоков сливаются в траекторию одного более крупного потока.
Структуру емкостей 12 охватывает внешняя ограждающая стенка 50, которая окружает и вмещает верхние секции 44 емкостей 12. Для облегчения присоединения к системе ограждающая стенка 50 может иметь фланцы 52 и 54 вокруг своих верхнего и нижнего периметров, соответственно, или может быть снабжена другими подходящими для использования крепежными средствами. Нижний фланец 54 может быть соединен с опорной плитой 10 болтами и тому подобным.
Высота ограждающей стенки 50 в подходящем случае может быть выбрана равной высоте верхних секций 44 емкостей 12, так чтобы герметизирующая пластина 56, расположенная поверх ограждающей стенки 50, могла бы герметизировать емкости 12, а также ограждающую стенку 50 при желании с использованием одного или нескольких уплотнений. Герметизирующая пластина 56 совместно с ограждающей стенкой 50, верхними секциями 44 емкостей 12 и опорной плитой 10 определяет замкнутый объем 58 для текучей среды, контролирующей температуру, общий для всех или желательного количества емкостей 12. Замкнутый объем 58 для текучей среды, контролирующей температуру, можно использовать для циркуляции нагревающих или охлаждающих газа или жидкости вокруг емкостей 12 в целях контроля температуры емкостей 12. Текучую среду, контролирующую температуру, например, воздух, можно впускать в замкнутый объем 58 и выпускать оттуда через входные отверстия и выходные отверстия (не показаны), при этом выходные отверстия размещены в компоновке «снизу-сверху» в случае пары входное отверстие-выходное отверстие для нагревающего газа и/или в компоновке «сверху-снизу» в случае пары входное отверстие-выходное отверстие для охлаждающего газа. Замкнутый объем 58 для текучей среды, контролирующей температуру, при желании можно разделить на несколько областей для контролируемого получения различных температур при переходе от одной области к другой области.
Продемонстрированная система для многостадийной непрерывной обработки в псевдоожиженном слое включает камеру 60 свободного пространства над уровнем продукта, установленную поверх герметизирующей пластины нагревающей камеры 56 при помощи фланца 64 по ее периметру, который может быть приболчен или прикреплен другим образом к верхнему фланцу 52 ограждающей стенки 50. При желании могут быть использованы и другие способы прикрепления камеры 60 свободного пространства над уровнем продукта к системе. Камера 60 обеспечивает наличие верхнего перекрытия, которое может собирать отработанный газ, генерируемый в каждой емкости 12, и выпускать его через одно или несколько отверстий 62 для выпуска газа.
Один вариант реализации изобретения включает систему для непрерывной многостадийной обработки в псевдоожиженном слое, включающую так много стадий, как только будет необходимо для достижения желательной степени однородности времени пребывания частиц, подвергаемых обработке.
В одном способе эксплуатации проиллюстрированной многостадийной системы для обработки псевдоожиженной твердой фазы перед подачей в систему твердой фазы в нагнетательную камеру 20 и зону 34 подкачивания подают сжатый воздух для установления прохождения через сопла 24 для газа потока псевдоожижающего воздуха. Кроме того, в случае необходимости выдерживания конкретных рабочих температуры или температурного профиля в замкнутый объем 58 для газа, контролирующего температуру, впускают нагревающий или охлаждающий газ и при необходимости выдерживают время, требуемое для температурного кондиционирования системы. После этого через отверстие 46 для подачи твердой фазы в систему в первую емкость 12 при предварительно заданном постоянном объемном расходе, соотносящемся с характеристиками системы и исходного сырья, подают твердые частицы исходного сырья, например, крупнозернистый порошок оксида алюминия.
Твердые частицы падают в направлении перекрытия первой емкости 12, где они сталкиваются с движущимся снизу вверх воздушным потоком из сопел 24 для газа в части газораспределительной пластины 22, составляющей перекрытие емкости для проведения технологической стадии. Данный движущийся снизу верх воздушный поток псевдоожижает опускающиеся твердые частицы. По мере поступления в первую емкость 12 большего количества твердых частиц, направленное сверху вниз давление, создаваемое растущим снизу вверх слоем псевдоожиженной твердой фазы, будет перемещать твердую фазу в первый перепускной канал 18. В первом перепускном канале 18 текучая твердая фаза сталкивается с воздушным потоком из сопла или сопел 24 для газа в перепускном канале 18, который поддерживает псевдоожижение и предотвращает закупоривание канала. Подобное гидростатическому давление слоя псевдоожиженной твердой фазы в первой емкости 12 перемещает псевдоожиженную твердую фазу в первый перепускной канал 18, направляя воздушный поток из сопла или сопел 24 для газа в перепускном канале 18 в направлении следующей емкости 12, тем самым, упрощая перемещение псевдоожиженных твердых частиц через перепускной канал 18 в следующую емкость 12. Сопло или сопла 24 для газа в перепускном канале 18 также поддерживают псевдоожижение твердых частиц во время их прохождения через перепускной канал 18.
Твердые частицы, поступающие во вторую емкость 12, быстро сталкиваются с движущимся снизу вверх потоком псевдоожижающего воздуха, выходящим из сопел 24 для газа во второй емкости 12, который поддерживает псевдоожижение твердых частиц, выходящих во вторую емкость 12. Непрерывный поток твердых частиц через первый перепускной канал 18 формирует во второй емкости 12 слой псевдоожиженной твердой фазы, создающий напор подобного гидростатическому давлению, перемещающий поток твердых частиц во второй перепускной канал 18 и через него в третью емкость 12. Способ в системе повторяют во всех емкостях 12 вплоть до достижения последней емкости 12, и поток твердых частиц достигает последней емкости 12 и выходит из отверстия 48 для выпуска твердых частиц.
После запуска стационарное состояние, такое как продемонстрированное на фиг.6, может быть достигнуто тогда, когда высота слоя псевдоожиженной твердой фазы 66 в каждой емкости 12 станет описываться убывающей прогрессией вдоль последовательности из емкостей 12, через которые проходит поток твердых частиц. Разность высоты между одной емкостью 12 и последующей указывает на давление, необходимое для перемещения потока твердых частиц через соединительный перепускной канал 18.
При обычном ходе событий псевдоожижающее действие сопла 24 или сопел для газа в каждом перепускном канале 18 эффективно предотвращает возникновение в каналах преград, которые могут прервать надлежащее движение потока твердых частиц через систему. В том случае, если, тем не менее, преграда в канале появится, то тогда технологический процесс может быть прекращен, а преграда может быть устранена в результате разболчивания фланцев 25 и опускания корпуса нагнетательной камеры 31 и газораспределительной пластины 22 прочь от опорной плиты 10, что обеспечивает получение хорошего доступа к перепускным каналам 18 для устранения преграды или преград. В то же самое время доступ обеспечивается и во внутренние пространства емкостей 12 в случае возникновения такой потребности для проведения регламентного или внепланового технического обслуживания или для других целей.
Эффективная конструкция канала может оказаться подходящей для использования при изготовлении возможных систем, включающих большие количества емкостей для проведения технологических стадий. Например, в случае шестидесятистадийной системы существует пятьдесят девять каналов, которые должны надежно работать. Любое неправильное функционирование одного канала может остановить технологическую линию, что может потребовать очень больших затрат в случае крупномасштабного технологического оборудования.
В следующем далее неограничивающем примере описывают один вариант реализации способа обработки твердых частиц, который может быть реализован на практике в системе, такой как проиллюстрированная на фиг.5-12.
Пример: Высушивание оксида алюминия
Технические условия по технологии способа высушивания оксида алюминия для уменьшения количества летучих компонентов, например, воды, требуют нагревания частиц продукта белого корунда, характеризующегося средним размером частиц 120 микронов, до температуры 250°С и выдерживания их при данной температуре в течение одного часа. Технические условия по контролю качества требуют нагревания оксида алюминия при температуре 250°С в течение, по меньшей мере, 40 минут, но не более, чем 80 минут.
Данный способ реализуют в 60-стадийной системе, где каждая емкость для проведения технологической стадии 12 имеет размеры поперечного сечения, равные приблизительно 102 мм на приблизительно 305 мм (приблизительно 4 дюйма на 12 дюймов), и высоту, равную приблизительно 1143 мм (приблизительно 45 дюймов). Каждый из пятидесяти девяти перепускных каналов 18, которые соединяют емкости для проведения технологических стадий друг с другом, имеет прямоугольную форму поперечного сечения с шириной, равной приблизительно 38 мм (приблизительно 1,5 дюйма), и высотой, равной приблизительно 44 мм (приблизительно 1,75 дюйма), и имеет длину, равную приблизительно 25 мм (приблизительно 1,0 дюйма). Каждый перепускной канал 18 включает два сопла 24 для псевдоожижающего газа, что обеспечивает получение хорошего псевдоожижения в каналах и позволяет достичь низкого падения давления при расчетных производительностях.
Перед подачей продукта в многостадийную систему в замкнутый объем 58 для газа, контролирующего температуру, впускают нагретый воздух и в системе во всех емкостях 12 дают возможность установиться температуре 250°С. После этого на первую стадию 60-стадийной системы при объемном расходе, контролируемо выдерживаемом равным 3780 фунт/час, подают частицы продукта белого корунда.
В стационарном состоянии система характеризуется величиной уровня псевдоожиженного слоя, равной приблизительно 744 мм (приблизительно 29,3 дюйма) в точке подачи в емкость для проведения технологической стадии 1, и величиной соответствующего уровня, равной приблизительно 521 мм (приблизительно 20,5 дюйма) в точке выпуска из емкости для проведения технологической стадии 60. Имеет место последовательное уменьшение высоты псевдоожиженного слоя при переходе от одной емкости 12 к последующей, как это продемонстрировано на фиг.7. Разность высоты слоя между первой и последней емкостями, а именно, приблизительно 224 мм (приблизительно 8,8 дюйма) псевдоожиженной твердой фазы, можно воспринимать как индикатор совокупного падения давления, имеющего место при прохождении через 59 перепускных каналов 18, которые соединяют шестьдесят емкостей 12. Деление падения давления на количество перепускных каналов приводит к получению числа в виде приблизительно 3,8 мм (приблизительно 0,15 дюйма) падения эквивалентного давления псевдоожиженного слоя на один перепускной канал. Данное на удивление малое число может быть приписано признакам изобретения, например, нагнетанию псевдоожижающего газа в перепускные каналы 18 и возможно также форме поперечного сечения емкостей 12. В отсутствие входных отверстий 24 для газа перепускных каналов 18, имеющих гладкое перекрытие по всей своей длине вместо входных отверстий 24 для газа перепускных каналов, падение давления предполагается существенно более высоким.
Описанные размеры обеспечивают наличие высоты свободного пространства над уровнем продукта между верхом уровня псевдоожиженного слоя и верхом емкости 12, равной приблизительно 406 мм (приблизительно 16 дюймов) в емкости для проведения технологической стадии 1 и увеличивающейся до приблизительно 622 мм (24,5 дюйма) в емкости для проведения технологической стадии 60.
Средний объем псевдоожиженного слоя на каждой стадии составляет приблизительно 1980 кубических сантиметров (приблизительно 0,70 кубического фута).
Среднее время пребывания совокупной популяции частиц оксида алюминия, проходящей через установку, составляет один час. Насыпная плотность псевдоожиженного оксида алюминия при скорости псевдоожижения воздухом, равной приблизительно 3,35 метра (приблизительно 11,0 фута) в минуту, в описанной многостадийной системе составляет приблизительно 1442 килограмма на один кубический метр (приблизительно 90 фунтов на один кубический фут).
Для определения распределения времен пребывания частиц оксида алюминия, подвергаемых обработке при использовании установки, функционирующей при постоянной скорости подачи 3780 фунтов в час и в условиях стационарного состояния, в емкость для проведения технологической стадии номер 1 быстро подавали партию из 35 фунтов частиц коричневого корунда, характеризующихся теми же самыми размером, формой и массой, что и частицы белого корунда, одновременно продолжая подачу белого корунда и выдерживая для смеси постоянной скорости подачи 3780 фунтов в час. Доля коричневых частиц, выходящих в потоке на выпуске, которую можно определить колориметрически, позволяет получить распределение времен пребывания для популяции частиц, подаваемых в устройство в используемых технологических условиях.
Некоторые результаты, получаемые по данному способу, продемонстрированы на фиг.13, где, как и на фиг.4, фактическое время пребывания откладывают на оси абсцисс в виде доли от среднего времени пребывания, а ординату нормируют для приведения площади под кривыми к единице, так чтобы время пребывания совокупной популяции составляло бы 1,0. Таким образом, абсциссой графика, продемонстрированного на фиг.13, является доля среднего времени пребывания в один час, наблюдаемая для популяции частиц. Ординатой данного графика является масштабный фактор, обеспечивающий равенство площади под кривой единице, то есть, совокупной популяции. Площадь под кривой между двумя значениями времени пребывания представляет собой долю от совокупной популяции, характеризующуюся временем пребывания в диапазоне между данными двумя значениями.
Два графика, продемонстрированные на фиг.13, представляют результат, полученный для идеализированной математической модели в случае 60-стадийной системы и 85-стадийной системы, соответственно. Как это ни удивительно, но анализ доли коричневых частиц на выходе в описанном ранее испытании может позволить получить экспериментальные точки, все из которых попадают в области внутри данных двух графиков, что предполагает несколько более высокую эффективность фактической 60-стадийной установки в сопоставлении с тем, что ожидалось бы, исходя из теоретических соображений. Несмотря на отсутствие ограничений для изобретения с позиций какой-либо конкретной теории данное полезное открытие может быть приписано конкретной овальной геометрической форме индивидуальных емкостей 12 и использованию сопел 24 для газа при нагнетании псевдоожижающего газа в перепускные каналы 18.
При желании однородность времени пребывания можно увеличить в результате использования многостадийной системы, включающей повышенное количество стадий, как это можно понять по фиг.14.
На фиг.14, как и на фиг.4 и 13, фактическое время пребывания показано на оси абсцисс в виде доли от среднего времени пребывания, а ординату нормируют для приведения площади под кривыми к единице, так чтобы время пребывания совокупной популяции составляло бы 1,0. Фиг.14 демонстрирует графики определенных в модели времен пребывания для тех случаев, когда количество емкостей для проведения технологических стадий N будет равно 10, 20, 60 и 120 стадиям. Как можно видеть из фигуры, в случае 120 стадий более, чем 80 процентов от совокупной популяции частиц (81,6 процента) попадают в диапазон плюс и минус 20 процентов от среднего времени пребывания. Специалист в соответствующей области техники может получить сопоставимые графики и для других количеств стадий, что делает возможным выбор варианта реализации многостадийной системы изобретения, включающей количество стадий, подходящее для использования в конкретной промышленной, коммерческой или исследовательской области применения.
Например, многостадийная система может включать, по меньшей мере, приблизительно 15 емкостей для проведения технологических стадий, от приблизительно 40 емкостей для проведения технологических стадий до приблизительно 500 емкостей для проведения технологических стадий, от приблизительно 100 емкостей для проведения технологических стадий до приблизительно 200 емкостей для проведения технологических стадий, от приблизительно 50 емкостей для проведения технологических стадий до приблизительно 70 емкостей для проведения технологических стадий или от приблизительно 80 емкостей для проведения технологических стадий до приблизительно 200 емкостей для проведения технологических стадий, и способы изобретения можно реализовать в системах, включающих такие количества емкостей.
Как можно понять из данного описания, различные варианты реализации изобретения могут демонстрировать или могут обеспечивать наличие одного или нескольких признаков или преимуществ, описанных в следующих далее абзацах.
Изготовление нижних секций емкостей 12 и перепускных каналов 18 из прочной целостной опорной плиты, такой как опорная плита 10, может оказаться экономичным и может упростить точное размещение индивидуальных стадий многостадийной системы друг по отношению к другу и перепускных каналов по отношению к емкостям 12. Изготовление опорной плиты 10 в виде целостного или монолитного модуля способствует обеспечению сохранения надлежащей пространственной взаимосвязи между емкостями 12 и перепускными каналами 18 в течение полезного срока службы технологической системы. Все данные меры могут внести свой вклад в эффективность крупномасштабных и других вариантов реализации многостадийной системы, соответствующей изобретению.
Использование газораспределительной пластины 22, характеризующейся подходящей для использования схемой нагнетательных сопел 24 для псевдоожижения, называемых «фурмами», и обслуживающей емкости для проведения технологических стадий, а также перепускные каналы, может обеспечить получение хороших характеристик псевдоожижения твердой фазы, облегчающих единообразное прохождение твердых частиц через систему.
Поскольку давление газа на выходе из канала может быть меньшим в сопоставлении с давлением газа на входе в канал, псевдоожижающий газ в перепускном канале 18 может ударяться о верхнюю сторону перепускного канала и поворачиваться в направлении потока продукта, проходящего через канал, что способствует надежному функционированию перепускного канала и уменьшению возможного закупоривания или другого преграждения канала твердыми частицами. Как это ни удивительно, но в некоторых вариантах реализации изобретения одно или несколько сопел 24 для газа могут выступать в траекторию потока твердой фазы, проходящего через каналы, не приводя к блокированию или преграждению канала, поскольку это может предотвратить поток псевдоожижающего газа из одного или нескольких сопел 24 для газа в перепускном канале 18.
Возможность отделения газораспределительной пластины 22 от системы или ее открывания в результате разболчивания газораспределительной пластины 22 на фланцах опорной плиты 25 обеспечивает получение удобного доступа ко всем перепускным каналам 18 для проведения очистки и технического обслуживания. Кроме того, опорная плита 10 может использовать геометрию, которая отделяет емкости 12 друг от друга в степени, достаточной для обеспечения циркуляции теплоносителя или хладагента вокруг емкостей для проведения технологических стадий, что создает хорошие условия теплопереноса в емкости 12 и упрощает контроль рабочих температур в емкостях для проведения технологических стадий, позволяя выдерживать желательный температурный профиль в емкостях 12 от первой до последней.
Некоторые варианты реализации изобретения делают технически и экономически возможными многостадийные способы обработки твердых частиц, которые можно использовать при большом количестве стадий, например, при 20, 60, 120 или сотнях стадий, для технологических процессов, использующих взаимодействия между твердыми частицами и газовой фазой. Такие варианты реализации изобретения в некоторых случаях могут обеспечить получение хорошей однородности времени пребывания популяции частиц в многостадийном реакторе и высококачественного продукта на выходе.
Изобретение может позволить добиться получения и других преимуществ. Например, подходящие для использования варианты реализации способов и систем изобретения могут обеспечить надежный перенос псевдоожиженной твердой фазы от одной емкости для проведения технологической стадии к последующей при низком падении давления во время переноса. Дополнительные варианты реализации изобретения могут обеспечить получение удобного доступа ко множеству перепускных каналов, соединяющих друг с другом емкости для проведения технологических стадий в системе для непрерывной обработки, что позволит быстро проводить очистку или техническое обслуживание или и то, и другое в случае невозможности эффективного функционирования одного или нескольких перепускных каналов.
В дополнение к этому, изобретение предлагает варианты реализации, в которых емкости для проведения технологических стадий могут быть установлены в замкнутом объеме системы, обеспечивающем удобные и контролируемые нагревание или охлаждение емкостей для проведения технологических стадий при помощи газа, циркулирующего в общих области или зоне. Кроме того, варианты реализации изобретения предлагают способ и механизм для получения удобного доступа к каждой из большого количества стадий в системе для многостадийной непрерывной обработки псевдоожиженной твердой фазы в целях проведения очистки, промывания, слива и технического обслуживания для емкостей для проведения технического обслуживания и перепускных каналов, распределительной пластины и нагнетательной камеры в случае использования таковых.
Варианты реализации системы, соответствующей изобретению, можно использовать для обработки широкого ассортимента твердых материалов в форме частиц, которые можно псевдоожижать при помощи газа. Например, варианты реализации многостадийной системы можно использовать для проведения непрерывного высушивания или нагревания или как нагревания, так и высушивания при обработке чувствительных материалов, требующих наличия временно-температурной предыстории обработки, характеризующейся хорошей однородностью времени пребывания.
Некоторые продукты, которые обычно требовали проведения неоднократной периодической обработки для обеспечения соответствия стандарту качества, можно подвергать непрерывной обработке при использовании варианта реализации многостадийной системы с псевдоожиженным слоем изобретения.
Некоторые подходящие для использования варианты реализации изобретения могут характеризоваться низкими теплопотерями и хорошей эффективностью использования энергии, высокой пропускной способностью по продукту и хорошей однородностью времени пребывания. Новую конструкцию перепускного канала, описанную в настоящем документе, можно использовать для уменьшения или исключения проскока и задержки частиц, которые неблагоприятным образом могут воздействовать на однородность времени пребывания.
Изобретение включает варианты реализации обработки в псевдоожиженном слое системы, включающие от десяти до двух сотен емкостных стадий или другие желательные количества стадий, оформленных в рентабельных механических конструкциях, которые благодаря использованию съемной газораспределительной пластины или других сопоставимых мер могут обеспечить получение хорошего доступа для проведения очистки системы в случае смены продукта или для проведения регламентного технического обслуживания.
Необходимо понимать то, что в дополнение к описанным вариантам реализации обработки в псевдоожиженном слое системы, включающим горизонтально расположенный массив емкостей 12, емкости для проведения технологических стадий могут иметь днища, наклоненные в направлении движения потока твердых частиц, или же одна емкость по отношению к другой может быть смещена по вертикали, что будет способствовать формированию гравитационного потока, проходящего через систему.
Вышеизложенное подробное описание необходимо прочитывать в свете предшествующих описаний предпосылок и краткого изложения изобретения и в сочетании с ними, где также может быть приведена или предложена неполная или полная информация в отношении наилучшего способа реализации изобретения на практике или в отношении модификаций, альтернатив или подходящих для использования вариантов реализации изобретения, что должно быть очевидно для специалиста в соответствующей области техники. В случае возникновения конфликта между значениями термина, использованным в письменном изложении изобретения в данном описании изобретения, и значением, использованным в материале, включенном для справки из другого документа, значение, использованное в настоящем документе, предполагается превалирующим.
По ходу всего изложения описания способы описываются имеющими, включающими или содержащими конкретные технологические стадии, предполагается, что способы, соответствующие настоящему изобретению, также могут и по существу состоять или состоять из упомянутых технологических стадий. Необходимо понимать то, что порядок стадий или порядок проведения определенных действий являются несущественными до тех пор, пока изобретение остается функционирующим. Кроме того, две и более стадии или два и более действия можно проводить одновременно.
Необходимо понимать то, что, само собой разумеется, несмотря на представленное ранее описание иллюстративных вариантов реализации изобретения специалисту в соответствующей области техники в свете вышеизложенного описания будет очевидным или по мере прогресса в соответствующей области техники может стать очевидным и множество разнообразных модификаций. Такие модификации рассматриваются как соответствующие сущности и объему изобретения или изобретений, изложенных в данном описании изобретения.