РЕАКТОР С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
CONTINUOUS-ACTION REACTOR WITH FLUIDISED BED

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к устройству и способу для непрерывного псевдоожижения и, в одном из вариантов осуществления, для непрерывного псевдоожижения материалов, обработка которых затруднена.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ
Разные виды способов псевдоожижения применяются много лет для многочисленных различных операций и/или процессов. В общем, в системах с псевдоожижением твердая фаза подвешена в газовом потоке, протекающем в верхнем направлении.
Высокая турбулентность, существующая в псевдоожиженном слое, обеспечивает высокие характеристики теплопередачи и может вызывать почти полное смешивание твердых частиц с газом, создающим псевдоожижение, чтобы образовать относительно гомогенную систему газ-твердая фаза.
Возникновение каналов, обусловленное образованием карманов в твердой фазе, может приводить к прохождению газа через твердые частицы без плотного соприкосновения с твердой фазой.
Образование каналов отчасти минимизируется применением нескольких трубчатых зон, через которые газ, создающий псевдоожижение, проходит при соприкосновении с твердой фазой. Каждая труба функционирует как отдельный псевдоожиженный слой, имеющий гораздо меньшую площадь поперечного сечения, и в целом такая трубчатая система со слоями имеет более высокие характеристики теплопередачи вследствие возможности использования увеличенной площади поверхности.
Материалы, обладающие когезионной способностью, имеют склонность к образованию агрегатов при создании псевдоожиженного слоя в трубчатых зонах и поэтому могут с трудом псевдоожижаться. Крахмал является примером такого материала, обладающего когезионной способностью, и он склонен к образованию комков или агломератов внутри реакторов с псевдоожиженным слоем, что приводит к значительному образованию каналов и неполной конверсии крахмала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится к устройству с псевдоожиженным слоем непрерывного действия при применении при псевдоожижении твердых материалов, включая материалы, которые трудно псевдоожижаются, особенно материалы в виде твердых частиц, которые склонны к слипанию или агломерированию с образованием слипшихся масс, при этом указанное устройство содержит: (a) две или более ячейки, при этом каждая ячейка имеет свое собственное изолированное «свободное» пространство; и (b) две или более фильтровальные трубки, размещенные внутри «свободного» пространства каждой ячейки; и при этом постоянная разность давлений поддерживается между каждым изолированным «свободным» пространством.
В одном из вариантов осуществления устройство с псевдоожиженным слоем непрерывного действия по данному изобретению содержит примерно 10 или более ячеек.
Постоянная разность давлений между каждым изолированным «свободным» пространством устанавливает постоянную высоту псевдоожиженных частиц внутри каждой ячейки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 представляет схему типичного реактора с псевдоожиженным слоем непрерывного действия.
Фиг.2 представляет схематический вид сверху реактора непрерывного действия с псевдоожиженным слоем в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения, на котором изображено 60 ячеек при каждой отдельной ячейке, действующей в качестве псевдоожиженного слоя. Каждая ячейка имеет два фильтра. Фильтры соединены, как обозначено, линиями обратной продувки, чтобы предоставить шесть колонн взаимосвязанных фильтров. Ячейки расположены в 20 рядов. В ряду находится 3 ячейки. Материал проходит через реактор по змеевидному пути.
Фиг.3 представляет схематический вид сбоку реактора с псевдоожиженным слоем непрерывного действия в соответствии с одним из вариантов осуществления данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Типичная система с псевдоожиженным слоем для применения в промышленности описана в патенте США US 5378434 (Procedyne), включенная здесь посредством ссылки и проиллюстрированная на фиг.1 в виде однокорпусного реактора. Этот реактор имеет три полностью разделенных отсека, 31A, 31B, 31C, чтобы обеспечить три независимые системы рециркуляции газа, 44A, 44B, 44C, при этом каждый отсек или зона разделения содержит три разделительные перегородки между ступенями, чтобы образовать четыре ступени в каждой зоне, 60A, 60B, 60C и 60D в зоне 31A; 60E, 60F, 60G и 60H в зоне 31B; и 60I, 60J, 60K и 60L в зоне 31C.
Частицы непрерывно подаются через впускное отверстие 58 во впускной зоне 59, которые затем поступают в первую ступень 60A первой зоны 31A и затем в последующие ступени.
Прохождение псевдоожиженных частиц из ступени в ступень внутри данной зоны осуществляется обеспечением чередующихся щелей в разделительных перегородках 61A, 62A, 63A, 64A; 61B, 62B, 63B, 64B; 61C, 62C, 63C, 64C зон, чтобы обеспечить непрерывный поток. Это создает змеевидный (извилистый) путь для прохождения псевдоожиженных частиц. Эти щели находятся на противоположных концах разделительных перегородок зоны, смежных с противоположными боковыми стенками корпуса реактора, и обеспечивают средство для змеевидного пути протекания.
Поскольку имеет место непрерывная подача на загрузочном конце устройства, то увеличивающаяся масса и уровни слоев в зонах предоставляют движущую силу для перемещения псевдоожиженного слоя из твердых частиц в переднем направлении и затем через выпускную зону устройства, 56, и последующего выведения через выпускное отверстие 57 резервуара.
В проиллюстрированном примере на фиг.1 с разделением на три зоны, каждая из которых содержит четыре ступени, стенки 64A, 64B и 64C для разделения зоны герметично соединены со стенкой нагнетательных объемов 32A, 32B и 32C, в псевдоожиженном слое; и в объемах свободного пространства, которые расположены выше псевдоожиженного слоя 31А, 31В и 31С, за счет этого сохраняют газы, создающие псевдоожижение, и повторно используемые газы отделенными от соответствующих газов каждой соседней зоны.
Газ, создающий псевдоожижение, вводится в каждую зону соответственно через отверстия 75A, 75B и 75C. Потоки газа, создающего псевдоожижение, состоят из повторно используемого газа от систем рециклинга 44A, 44B и 44C и пополняющих газов из линий 70, 71 и 72. Линии 70, 71 и 72 пополняющих газов соединены с системами рециклинга 44A, 44B и 44C подающими линиями 70A, 70B, 70C, 71A, 71B, 71C, 72A, 72B и 72C. Несколько подающих линий позволяют оператору процесса выбирать состав газа отдельным и независимым образом для каждой зоны. Псевдоожиженный слой поддерживается регулированием расхода циркулирующего газа, чтобы поддержать подходящую скорость псевдоожижения в зависимости от размера и плотности частиц в данной реакционной зоне.
Каждый поток повторно используемого газа после выпуска из реактора через выпускные отверстия 52A, 52B, 52C охлаждается в теплообменниках 51A, 51B и 51C, после чего закачивается компрессорами 50A, 50B и 50C и смешивается с пополняющими газами, чтобы регулировать состав, и возвращается в реактор. Температуры газа, создающего псевдоожижение, вводящегося через впускные отверстия 75A, 75B и 75C, поддерживаются достаточно ниже температуры псевдоожиженного слоя в соответствующих ступенях, чтобы обеспечить требуемый баланс энергии в зоне.
Данное изобретение направлено на устройство с псевдоожиженным слоем непрерывного действия для псевдоожижения твердых материалов, особенно твердых частиц, которые трудно псевдоожижаются, таких как материалы, которые склонны к слипанию или агломерированию. Устройство по данному изобретению может быть применимо, например, в химических и/или физических процессах (таких, как, без ограничения ими, реакции полимеризации, системы газификации угля и рекультивация почв), в которых материалы в виде твердых частиц псевдоожижаются и подвергаются теплопередаче во время псевдоожижения, обычно, чтобы передать тепло материалу в виде частиц.
В другом варианте осуществления это изобретение обеспечивается способом псевдоожижения твердых частиц, которые трудно псевдоожижаются. В еще одном варианте осуществления такой способ отличается отсутствием образования каналов.
В еще одном варианте осуществления это изобретение обеспечивается устройством и способом для псевдоожижения твердых частиц, где такие устройство и способ обеспечивают улучшенную гомогенность и улучшенные характеристики теплопередачи и где твердые частицы эффективным образом конвертируются в пределах постоянных времен пребывания.
Одной из неограничивающих особенностей является то, что, когда устройство с псевдоожиженным слоем непрерывного действия по данному изобретению содержит более чем одну ячейку, давление внутри «свободного» пространства каждой ячейки не должно быть эквивалентно давлению в соседних ячейках. В одном из вариантов данного изобретения устройство имеет по меньшей мере 10 ячеек, в другом - по меньшей мере 25 ячеек, и в третьем - по меньшей мере 50 ячеек.
Если давление изменяется внутри «свободного» пространства ячейки, то давление «свободного» пространства внутри каждой ячейки изменяется по существу на одну и ту же величину по существу в одно и то же время; это уравновешивает давления внутри реактора и предотвращает образование обратного потока, а также поддерживает постоянную высоту слоя внутри каждой отдельной ячейки, хотя не требуется, чтобы высота слоя во всех ячейках была одной и той же. Постоянная высота слоя приводит к по существу согласованным расходам подачи и выпуска, малой инерционности и быстрому достижению установившегося состояния и к узкому распределению времен пребывания. «По существу одно и то же давление» означает, что разность составляет не более 1000 Па, в другом варианте осуществления не более 500 Па и в третьем варианте осуществления не более 250 Па. «По существу одно и то же время» означает, что разность составляет не более 0,25 секунды, в другом варианте осуществления не более 0,5 секунды и в третьем варианте осуществления не более 0,01 секунды. Специалисту в данной области будет понятно, что изменения в плотности псевдоожиженного материала будут изменять чувствительность потока к изменениям давления.
Всякий раз, когда происходит обратная продувка, она происходит одновременно в одном и том же числе клапанов обратной продувки фильтровальных труб (свеч) в каждой ячейке - это уменьшает изменения давления «свободного» пространства. «Одновременно» означает в пределах 0,25 секунды, в другом варианте осуществления в пределах 0,5 секунды и в третьем варианте осуществления в пределах 0,01 секунды.
Клапаны обратной продувки переключают функционирование фильтров между обратной продувкой и удалением газа, создающего псевдоожижение. Зазор в потолке устройства обеспечивает возможность протекания газа между ячейками, чтобы поддерживать разность давления между ними.
Для того чтобы минимизировать изменение давления в «свободном» пространстве реактора, обратная продувка фильтровальных трубок является одновременной и включает одно и то же число фильтровальных трубок на ячейку в каждой ячейке.
Одновременная обратная продувка включает в себя точное регулирование синхронизации клапанов обратной продувки фильтровальных трубок. Эти клапаны переключают функционирование фильтров между обратной продувкой и удалением газа, создающего псевдоожижение.
Линии удаления/обратной продувки фильтров, связанные с фильтровальными трубками, обеспечивают возможность протекания газа между ячейками, чтобы поддерживать разность давления между ними.
Один из вариантов осуществления данного изобретения показан на фиг.2 как схематический вид сверху реактора с псевдоожиженным слоем непрерывного действия.
3
При ссылках на фиг.2 в реакторе с псевдоожиженным слоем непрерывного действия по данному изобретению движущая сила перепада давления от ячейки к ячейке, которая поддерживает перемещение частиц, достигается тем, что уровень псевдоожиженного слоя на загрузочном конце 17 реактора несколько выше его уровня у выпускного отверстия 18. Это аналогично гидростатическому напору, который поддерживает протекание жидкости в длинном канале. Типичные увеличения уровня составляют примерно от одного до четырех дюймов (2,54-10,16 см) водяного столба на двадцать футов (6 м) длины реактора (40,8-163,2 Па/метр реактора). Таким же образом, когда псевдоожиженные частицы проходят через щели в разделительных перегородках 7 и 8, перепад давления составляет примерно от 0,01 до 0,07 дюйма (0,254-1,778 мм) водяного столба для порошка крахмала с плотностью в псевдоожиженном состоянии приблизительно 350 кг/м (2,488-17,412 Па), что находит свое отражение в эквивалентном перепаде в уровне псевдоожиженного слоя между последовательными зонами. Линии 1, 2, 3, 4, 5, 6 удаления/обратной продувки фильтров служат для выпуска газа, создающего псевдоожижение, для подачи газа для обратной продувки и для предоставления возможности протекания газа между ячейками, чтобы поддерживать разность давления между ними.
Как проиллюстрировано фиг.3, один из вариантов осуществления по данному изобретению состоит в том, что каждая ячейка 19, 20, 21 имеет свое собственное изолированное «свободное» пространство 22, 23, 24 и в каждое «свободное» пространство включено по меньшей мере две фильтровальные трубки (свечи) 9, 10, 11, 12, 13, 14, посредством чего поддерживается постоянная разность давлений между каждым изолированным «свободным» пространством. Это предоставляет возможность псевдоожижения твердых материалов 15, особенно материалов в виде твердых частиц, которые склонны к слипанию или агломерированию с образованием слипшихся масс.
Неограничивающая особенность реактора с псевдоожиженным слоем непрерывного действия по данному изобретению относится к распределению времени пребывания обрабатываемых материалов. Распределение времени пребывания измеряется в эквивалентах ячеек, чем больше число эквивалентов ячеек, тем лучше (или «уже») распределение времени пребывания. Узкое распределение времени пребывания предоставляет возможность каждой частице подвергаться обработке в реакторе в течение примерно одного и того же времени и обеспечивает хорошее качество продукта, более быстрые изменения продукта и улучшенные эксплуатационные характеристики реактора. В одном из вариантов осуществления узкое распределение времени пребывания означает, что время пребывания по меньшей мере 80% частиц отклоняется не более чем на 20% от среднего времени пребывания. Кроме того, в реакторах, в которых распределение времени пребывания узкое, частицы следуют по траектории в порядке поступления («первым поступил, первым выпущен»), вызывая вымывание старого поданного материала новым поступившим материалом при объеме материала менее пяти объемов реактора.
Одной из неограничивающих особенностей является то, что реактор с псевдоожиженным слоем непрерывного действия данного изобретения особенно хорошо подходит для обработки крахмалов, включая термическое ингибирование, декстринизацию, окисление крахмала и т.п., поскольку крахмалы обладают когезионной способностью и, соответственно, трудно псевдоожижаются. Изобретение также предполагает применение как в физических, так и в химических процессах, таких как сушка. Крахмалы могут быть эффективно высушены при осуществлении на практике данного изобретения. Кроме того, другие физические и/или химические процессы могут быть выполнены для других трудно псевдоожижаемых твердых частиц. Термин «крахмалы», как это использовано в данном документе, предполагает включение крахмала, материалов, содержащих крахмал, или материалов, производных от крахмала.
Крахмал, который может быть подвергнут декстринизации или термическому ингибированию в соответствии со способом по данному изобретению, может быть произведен из разнообразных крахмалистых материалов, включая зерновые крахмалы, восковые крахмалы и/или крахмалы корнеплодов. Типичными такими крахмалистыми материалами являются невосковые зерновые крахмалы (т.е. кукурузный крахмал и пшеничный крахмал), картофельный крахмал, крахмал тапиоки, крахмал сорго, рисовый крахмал; восковые крахмалы (т.е. крахмал воскового майло, крахмал восковой кукурузы), высокоамилозные крахмалы и т.п. В одном из вариантов осуществления используются восковые зерновые крахмалы. В другом варианте осуществления используется восковый кукурузный крахмал.
Как будет понятно специалистам в данной области, могут быть использованы различные виды псевдоожижающей среды. Например, могут быть использованы пар или инертные газы, такие как аргон, азот, диоксид углерода и т.п. В качестве неограничивающей особенности некоторое количество влаги может быть добавлено к инертным газам. Кроме того, дымовые газы от операций со сжиганием могут быть аналогичным образом использованы в качестве псевдоожижающей среды, если это желательно. Не является необходимым, чтобы псевдоожижающая среда добавляла какое-либо существенное тепло материалу, такому как крахмал, подвергающийся декстринизации, поскольку трубчатая секция реактора, использованная на практике в соответствии с идеями данного изобретения, способна предоставлять все тепло, необходимое для эффективного осуществления реакции.
Несмотря на то что изобретение описано в отношении конкретных вариантов его осуществления, понятно, что возможна дополнительная модификация, и эта заявка предполагает охват любых изменений, применений или усовершенствований данного изобретения, соответствующих в целом принципам данного изобретения и включающих такие отклонения от данного изобретения, которые относятся к известной или обычной практике в области, к которой изобретение имеет отношение, которые могут быть отнесены к существенным признакам изобретения, изложенным выше, и которые находятся в пределах объема данного изобретения.
ПРИМЕРЫ
Пример 1
Представленный ниже пример относится к псевдоожиженному слою непрерывного действия для обработки крахмала.
Как представлено на фиг.2, был сконструирован псевдоожиженный слой, содержащий 60 ячеек, расположенных последовательно в виде 20 рядов по три ячейки в ряду. Каждая ячейка была связана с предшествующей и последующей ячейками проходами у их оснований, и каждая ячейка имела изолированное «свободное» пространство. Каждая ячейка имела две фильтровальные трубки, чтобы обеспечить шесть фильтровальных трубок на ряд. Фильтровальные трубки были применены для удаления тонких частиц крахмала из газа, создающего псевдоожижение, перед выпуском газа из реактора. Каждая из шести фильтровальных трубок была соединена отдельным образом линией обратной продувки со смежной фильтровальной трубкой в следующем ряду, чтобы предоставить шесть колонн из 20 взаимно связанных фильтровальных трубок. Периодически через каждую колонну фильтровальных трубок пропускался газ в обратном направлении, чтобы очистить поверхности от налипшего на них крахмала.
В одной группе исследований распределения времени пребывания одна колонна фильтровальных трубок одновременно продувалась обратным потоком в течение пяти секунд по следующей схеме, повторяющейся каждые 30 секунд: колонна 1, колонна 3, колонна 5, колонна 2, колонна 4, колонна 6. Во время обратной продувки давление в ячейках, подвергаемых обратной продувке, увеличивалось не более чем на 3 дюйма (7,62 см) водяного столба. Компьютерные моделирования показывали, что увеличение давления было достаточным, чтобы вытеснить крахмал из продуваемой ячейки в соседние ячейки. Этот эксперимент показал, что, хотя реактор с псевдоожиженным слоем непрерывного действия имел 60 ячеек, распределение времени пребывания в нем сходно с его характером для устройства с 20 ячейками.
В другой группе исследований распределения времени пребывания шесть колонн фильтровальных трубок были разделены на две группы - группу A, состоящую из колонны 1, колонны 3 и колонны 5, и группу B, состоящую из колонны 2, колонны 4 и колонны 6. Каждая группа подвергалась обратной продувке в течение 5 секунд, в то время как другая группа выпускала газ, создающий псевдоожижение. Изменение результирующего давления между ячейками составляло менее 1 дюйма (2,54 см) водяного столба. Давление в каждой ячейке не изменялось со временем, поскольку каждая ячейка имела один фильтр в состоянии удаления газа и один фильтр в состоянии очистки. Распределение времени пребывания при этом режиме обратной продувки было эквивалентно устройству с 49 ячейками. Компьютерные моделирования подтвердили, что имели место улучшенные эксплуатационные характеристики вследствие балансировки давления на протяжении устройства.