Реакторное устройство с псевдоожиженным слоем и способ его осуществления

 

Изобретение относится к реакторным устройствам с псевдоожиженным слоем, включает реакционную камеру (112), содержащую циркулирующий (быстрый) слой с первой сеткой (114) для ввода ожижаемого газа и барботажный (медленный) псевдоожиженный слой (116), имеющий вторую сетку (120) для ввода ожиженного газа. Вторая сетка установлена ниже первой сетки. Первое соединение (122) и второе соединение (132) расположены между циркулирующим и барботажным слоями. Частицы протекают от циркулирующего слоя через первое соединение в барбатажный слой и наоборот для второго соединения. Соединения расположены относительно друг друга таким образом, что условия давления и плотности в пределах слоя являются единственным механизмом, который обеспечивает движущую силу для управления потоком частиц из циркулирующего слоя в барботажный слой. Теплообменник (128) косвенного действия может быть размещен в барботажном слое охлаждения частиц и могут быть установлены перегородки (130) различных конструкций для разделения барботажного слоя и для определения соединений. Изобретение позволяет обеспечить эффективное охлаждение твердого материала при всех возможных рабочих загрузках. 2 с. и 19 з.п. ф-лы, 5 ил.

Настоящее изобретение относится к реакторному устройству с псевдоожиженным слоем и способу осуществления реактора с псевдоожиженным слоем, как описано в преамбуле приложенных независимых пунктах формулы изобретения, пункты 1 и 17. В частности, изобретение относится к управляемому функционированию реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем, который имеет ряд преимуществ, по сравнению с известными конструкциями и процессами. Конструкция в соответствии с настоящим изобретением значительно упрощена по сравнению с известным уровнем техники, однако позволяет проводить точное и эффективное управление температурой реактора, увеличить скорость теплопередачи при различных вариантах загрузки и имеет другие преимущества.

Широко известны циркулирующие псевдоожиженные слои, типа представленного в американском патенте 4111158. В реакторах с циркулирующим псевдоожиженным слоем топливо вступает в реакцию в псевдоожиженном слое твердых частиц. Скорость потока газа и количество подаваемого газа управляются таким образом, что значительная часть твердых частиц увлекается газом, проходящим через реактор с псевдоожиженным слоем от его нижней части к его верхней части. Для работы циркулирующего псевдоожиженного слоя характерно то, что вынос твердого материала является настолько интенсивным, что, если этот материал не будет повторно циркулировать в реактор, это будет отрицательно воздействовать на работу циркулирующего псевдоожиженного слоя.

В американском патенте 4111158 было предложено осуществлять управление температурой и работой установки с помощью выноса твердых частиц из циркуляционной системы, охлаждения этих вынесенных частиц с помощью теплообменника в псевдоожиженном слое и затем возвращения этих твердых частиц обратно в реактор с псевдоожиженным слоем. Эти твердые частицы выносятся из области вблизи нижней части реактора с псевдоожиженным слоем через трубопровод и поступают во внешний удаленный охладитель с псевдоожиженным слоем, и после охлаждения твердая фракция из него возвращается в реактор с псевдоожиженным слоем. Такое устройство требует установки отдельной системы для транспортирования твердых частиц между охладителем с псевдоожиженным слоем и реактором с псевдоожиженным слоем. Кроме того, его управляющие возможности очень невелики, например, из-за длинного трубопровода для транспортирования твердых частиц, из-за которого происходят большие потери тепла. Такая система также является очень сложной и дорогой в производстве и в работе.

Было также предложено производить охлаждение твердой фракции в псевдоожиженном слое, расположенном в непосредственной близости к основному реактору, например, в статье, опубликованной в БОРТЕКС^TM "Технологии псевдоожиженного слоя", ACME 1993, "Сгорание в псевдоожиженном слое" - т. 1, с. 197-205. При таком размещении становится возможным уменьшить тепловые потери и задержку в управлении, вызванную длинными соединительными трубопроводами, однако все еще требуется определенное устройство для возврата твердой фракции в главный реактор, который в данном случае представляет собой отдельный подъемный канал, который также требует для своей работы дополнительных затрат энергии. Твердая фракция выносится из нижней части реактора, и возвращение твердой фракции обратно в реактор производится с помощью отдельной подъемной камеры, которая используется для предотвращения смешивания ожижаемого газа охладителя и несущего газа подъемной камеры друг с другом. Кроме того, такой системой трудно управлять: требуется постоянное наличие соответствующего объема твердой фракции, введенного в подъемную камеру, в противном случае перенос будет не эффективным.

В американских патентах 4893426 и 4823740 описаны различные подходы к работе барботажных реакторов с псевдоожиженным слоем. Барботажные реакторы с псевдоожиженным слоем работают на низких скоростях так, что, в отличие от циркулирующих псевдоожиженных слоев, формируется явно выраженная верхняя поверхность слоя. В американском патенте 3893426 описан теплообменник, использующий расположенные в непосредственной близости псевдоожиженные слои. Оба слоя имеют сетки распределения газа, расположенные на одном горизонтальном уровне. В американском патенте 4823740 описан барботажный реактор с псевдоожиженным слоем, в котором в нижней части реактора имеются камеры восстановления тепловой энергии. Эти камеры расположены, по существу, на одном уровне с барботажным слоем для того, чтобы они могли принимать твердый материал, который поступает от верхней поверхности пузырькового слоя вблизи к разделяющей стенке, отделяющей барботажный слой и восстанавливающую камеру. Твердая фракция возвращается из восстанавливающей камеры в барботажный слой на уровень выше ожижающей сетки барботажного слоя.

В американском патенте 5060599 описан реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, который имеет карманы, сформированные в боковой стенке реактора, для приема материала, протекающего по направлению вниз вдоль стенки. Каждый карман имеет сверху отверстие, расположенное в месте, где плотность псевдоожиженного слоя значительно ниже, чем в близлежащей нижней части реактора. Управление потоком материала выполняется посредством выпуска материала через край кармана или с помощью выпуска материала через трубопровод или отверстие в нижней части кармана.

В американском патенте 4363292 описана система, снабженная секциями теплопередачи на сетке, расположенной в донной части реактора с псевдоожиженным слоем. В этой системе также имеются разделяющие сетки, расположенные над сеткой для разделения донной части реактора на несколько отдельных секций. При таком расположении также существуют ограничения, связанные с тем, что отсутствует возможность обеспечения достаточно большой поверхности теплопередачи в секции теплопередачи, в частности, при условии низкой степени загрузки. В этой и других известных устройствах и способах работы реакторов с псевдоожиженным слоем имеются недостатки, которые решает настоящее изобретение.

В патентах EP 0410733 и EP 0358874 описаны реакторы с псевдоожиженным слоем, которые имеют внешние теплообменники с псевдоожиженным слоем или камеры со вторичным слоем, соединенные с их секциями печи. Горячий материал выносится из донной части печей через трубопроводы и теплообменники или вторичные слои.

Охлажденный материал, состоящий из мелких частиц, возвращается с ожижающим газом из внешних камер в верхнюю часть печей. Материал из грубых частиц удаляется из систем через дренажные трубопроводы.

Задачей настоящего изобретения является получение улучшенной системы реактора с псевдоожиженным слоем и способа, который позволяет эффективно управлять температурой системы. Эта задача достигается с помощью системы с псевдоожиженным слоем и способа, отличающихся признаками, описанными в отличительной части пунктов 1 и 17.

В соответствии с настоящим изобретением описываются устройство и способ, которые позволяют эффективно управлять температурой реактора с псевдоожиженным слоем, обеспечивая адекватную площадь поверхности теплопередачи для охлаждения твердого материала. В соответствии с настоящим изобретением становится возможным увеличить возможность реактора с псевдоожиженным слоем по теплопередаче при различной степени нагрузки и обеспечить эффективную и экономную обработку твердого материала в реакторе с псевдоожиженным слоем. Способность по теплопередаче охладителя реакторного устройства увеличивается по сравнению с известными устройствами, что позволяет обеспечить эффективную работу при различной степени загрузки. Причем, эти результаты достигаются достаточно просто в соответствии с настоящим изобретением.

Основная концепция, лежащая в основе настоящего изобретения, представляет собой использование двух различных технологий псевдоожиженного слоя и установки двух различных слоев рядом друг с другом так, что становится возможным взаимный обмен частицами между слоями без каких-либо насосов, систем наддува или другого механического или пневматического оборудования для непосредственного осуществления обмена частицами.

В настоящем изобретении используется циркулирующий (быстрый) псевдоожиженный слой и барботажный (медленный) псевдоожиженный слой. Эти слои установлены рядом друг с другом с первым и вторым соединениями между ними, причем ожижающий газ обычно входит в сетку барботажного слоя на уровне ниже, чем с циркулирующим слоем. Поскольку барботажный слой имеет, по существу, постоянную плотность по всему объему с явно выраженной разделяющей линией в его верхней части, первое соединение установлено выше верха барботажного слоя так, что условия по давлению и плотности между слоями приводят к перетоку частиц из циркулирующего слоя в барботажный слой через первое соединение. Однако поскольку средняя плотность в барботажном слое выше, чем плотность в циркулирующем слое, условия по давлению и плотности заставляют частицы после обработки в барботажном слое (например, после охлаждения) возвращаться в циркулирующий слой через второе соединение.

Таким образом, было неожиданно обнаружено, что становится возможным эффективно использовать различные состояния давления, существующие в системе реактора с псевдоожиженным слоем для переноса материала между двумя псевдоожиженными слоями твердых частиц. При соответствующей установке камер и отверстий, через которые они соединяются друг с другом, становится возможным поддерживать и управлять работой реактора с псевдоожиженным слоем таким образом, чтобы эффективное охлаждение твердого материала производилось безопасным и надежным способом при всех рабочих загрузках. Для достижения этих результатов настоящее изобретение функционально соединяет циркулирующий псевдоожиженный слой и медленный псевдоожиженный слой.

В циркулирующем псевдоожиженном слое твердых частиц ожижающий газ вводится через сетку в донной части камеры реактора с такой скоростью, при которой значительный объем твердых частиц выносится газом, движущимся из нижней секции камеры реактора в ее верхнюю секцию. Кроме того, для циркулирующих слоев характерно то, что средняя плотность частиц постепенно уменьшается в направлении к верхней секции камеры реактора, начиная от исходной плотности циркулирующего псевдоожиженного слоя в его донной секции, и не существует какой-либо явно выраженной верхней поверхности такого слоя, суспензия газ/твердый материал скорее постепенно разжижается по направлению верх. С другой стороны, в медленном или барботажном псевдоожиженном слое имеется явно выраженная верхняя поверхность, ниже которой плотность частиц, по существу, постоянна и выше которой присутствует только незначительное количество твердого материала; то есть, плотность твердого материала выше верхней поверхности, по существу, равна нулю. Это происходит благодаря относительно низкой скорости вводимого ожижающего газа.

В соответствии с настоящим изобретением плотность в медленном псевдоожиженном слое обычно устанавливается выше, чем исходная плотность циркулирующего псевдоожиженного слоя в его донной секции. В этих псевдоожиженных слоях устанавливается давление, величина которого может быть описана уравнением Δp₁ = p_cgΔh или с помощью градиента давления Δp₂/Δh для циркулирующего псевдоожиженного слоя, и Δp₂ = Pc gh или с помощью градиента давления Δp₂/Δh для медленного или барботажного псевдоожиженного слоя. В медленном псевдоожиженном слое плотность будет, естественно, значительно падать на высоте верхней поверхности псевдоожиженного слоя и, таким образом, давление Δp₂ не будет увеличиваться выше верхней поверхности медленного псевдоожиженного слоя - эта высота обозначается как h₀. С другой стороны, так как средняя плотность частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое постепенно уменьшается по направлению к верхней секции камеры реактора, в циркулирующем псевдоожиженном слое отсутствует такое резкое изменение. Это приводит к тому, что на высоте ниже верхней поверхности медленного псевдоожиженного слоя, равной Δh₁, которая равна или меньше h₀, давление в медленном псевдоожиженном слое больше, чем давление в циркулирующем псевдоожиженном слое, то есть Δp₂ > Δp₁. И соответственно на высоте выше верхней поверхности медленного псевдоожиженного слоя Δh₄, которая больше, чем h₀, давление в циркулирующем псевдоожиженном слое больше, чем давление в медленном псевдоожиженном слое, то есть Δp₁ > Δp₂. В соответствии с настоящим изобретением становится возможным установить механизм циркуляции или путь для твердой фракции из циркулирующего псевдоожиженного слоя через медленный псевдоожиженный слой с увеличенной площадью поверхности теплопередачи, используя различные состояния давления циркулирующего псевдоожиженного слоя и медленного или барботажного псевдоожиженного слоя. С помощью соответствующего расположения камер и отверстий, через которые они соединены друг с другом, становится возможным поддерживать и управлять работой реактора с псевдоожиженным слоем таким образом, что устанавливается эффективное охлаждение твердого материала безопасным и надежным образом при всех рабочих загрузках и, в частности при условии низкой загрузки.

В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения разработано реакторное устройство с псевдоожиженным слоем, которое включает следующие элементы: реакционную камеру с псевдоожиженным слоем, включающую циркулирующий псевдоожиженный слой, имеющий первую сетку для ввода ожижающего газа в циркулирующий псевдоожиженный слой. Барботажный псевдоожиженный слой, имеющий вторую сетку для ввода ожижающего газа в него. Вторую сетку, смонтированную в положении по вертикали ниже первой сетки. Первое соединение между циркулирующим псевоожиженным слоем и барботажным слоем, которое обеспечивает проход твердых частиц из циркулирующего слоя в барботажный слой, причем это первое соединение размещено выше первой сетки в исходном положении. И второе соединение между циркулирующим псевдоожиженным слоем и барботажным слоем, обеспечивающее проход твердых частиц из барботажного слоя в псевдоожиженный слой, причем это второе соединение размещено ниже первого соединения, но на уровне первой сетки или выше ее. Циркулирующий и барботажный слои, а также соединения между ними расположены по отношению друг к другу таким образом, что в результате условий давления и плотности внутри этих слоев устанавливается движущая сила для управления потоком частиц из циркулирующего слоя в барботажный слой через первое соединение, и из барботажного слоя в циркулирующий слой через второе соединение [может быть установлено другое, предпочтительно не механическое, средство управления потоком].

Обычно средство охлаждения, такое как теплообменник косвенного действия, размещается в барботажном слое для охлаждения твердых частиц, находящихся в нем. Кроме того, перегородка разделяет барботажный слой на первую и вторую камеры, причем первая камера непосредственно связана с первым соединением, и вторая камера непосредственно связана со вторым соединением. Эта перегородка предотвращает циркуляцию частиц между первым и вторым соединениями по короткому пути так, что все частицы, попадающие в барботажный слой, будут охлаждаться.

Охлаждающий механизм может размещаться только в первой камере, только во второй камере, или в обеих, первой и второй камерах. Первая и вторая камеры могут иметь любой относительный размер, но, предпочтительно, чтобы первая камера имела первую площадь поперечного сечения и вторая камера имела вторую площадь поперечного сечения, которая составляет меньше, чем 50% (предпочтительно меньше, чем 25%) первой площади поперечного сечения. Предпочтительно, средство теплопередачи в барботажном слое расположено по меньшей мере частично ниже первой сетки.

Обычно реакторная камера имеет первую боковую стенку, которая расположена под углом больше, чем, приблизительно 10 градусов относительно вертикали, и первое соединение содержит первое отверстие в боковой стенке, а второе соединение содержит второе отверстие в боковой стенке между первым соединением и первой сеткой. Вблизи второй сетки установлен трубопровод с вентилем для удаления твердых частиц, для избирательного удаления твердых частиц из барботажного слоя. Кроме того, часть второй сетки размещена ниже, и по горизонтали с перекрытием первой сетки так, что второе соединение расположено в разрыве первой сетки. Перегородка может быть полностью расположена по вертикали внутри пузырькового слоя, может быть полностью наклонена под углом, большим приблизительно 20 градусов по отношению к вертикали, или может быть сначала наклонена под углом, а затем расположена практически вертикально.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения разработан способ работы реакторного устройства с псевдоожиженным слоем, содержащего реакторную камеру, включающую первый псевдоожиженный слой, и дополнительную камеру, содержащую второй псевдоожиженный слой. Этот способ содержит следующие этапы: (а) образование первого псевдоожиженного слоя как быстрого циркулирующего псевдоожиженного слоя, (b) образование второго псевдоожиженного слоя как медленного барботажного псевдоожиженного слоя, (с) формирование первого потока частиц, протекающего из места первого соединения внутри первого слоя во второй слой, по существу, и только благодаря разности давления и плотности между слоями в месте первого соединения, а также (d) формирование второго потока частиц из места второго соединения внутри первого слоя из второго слоя в первый слой, по существу, и только благодаря разности давления и плотности между слоями в месте второго соединения.

Предпочтительно, имеется также дополнительный этап охлаждения частиц в барботажном слое между этапами (c) и (d) посредством направления (например с помощью перегородок) их потока вдоль теплообменника косвенного действия или аналогичного механизма охлаждения. Этап (c) обычно применяется на высоте первого вертикального положения в пределах циркулирующего слоя, и этап (d) применяется на высоте второго вертикального положения в пределах циркулирующего слоя ниже, чем первое положение, и средняя плотность в барботажном слое в месте второго соединения выше, чем плотность в циркулирующем слое.

Обычно - как описано выше, по отношению к устройству - реакторная камера включает сетку для подвода ожижающего воздуха в циркулирующий псевдоожиженный слой, и этап (d) может использоваться для ввода твердых частиц из барботажного слоя в циркулирующий слой в горизонтальной промежуточной части сетки снизу от сетки.

В соответствии с предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения движущая сила, создаваемая разностью между первым и вторым градиентами вертикального давления и/или распределения плотности твердых частиц, может быть использована для переноса твердых частиц из второго псевдоожиженного слоя в первый в месте второго соединения с помощью того, что второй вертикальный градиент давления должен быть большим, чем первый градиент давления на уровне второго соединения. Кроме того, передача тепла косвенным способом от твердых частиц в теплоноситель, предпочтительно пар или воду, может безопасно и эффективно использоваться во втором псевдоожиженном слое. Второй псевдоожиженный слой может быть ожижен с помощью газа (например, азота), с помощью которого установлены условия, благоприятные для безопасной и длительной работы, например могут быть исключены опасные условия, вызываемые применением хлора.

Движущая сила, создаваемая разностью между первым и вторым вертикальными градиентами давления и/или распределением плотности твердых частиц успешно используется для переноса твердых частиц из первого псевдоожиженного слоя во второй в месте первого соединения, обеспечивая первый вертикальный градиент давления большего значения, чем второй градиент давления в месте первого соединения. Таким образом, твердые частицы перетекают из первой камеры псевдоожиженного слоя во вторую камеру псевдоожиженного слоя.

Полезным также является то, что становится возможным установить второй псевдоожиженный слой твердых частиц ниже сетки первого псевдоожиженного слоя и получить увеличенную поверхность теплопередачи во втором псевдоожиженном слое твердых частиц в его части, расположенной ниже первой сетки для передачи тепла от твердых частиц в среду теплопередачи, устанавливая движение или перенос твердых частиц, с использованием, по существу, только движущей силы, создаваемой разностью состояния давления в псевдоожиженных слоях. Таким образом, становится возможным получить площадь теплопередачи (и объем второго псевдоожиженного слоя), которая требуется для адекватной работы процесса, причем становится возможным вводить твердый материал из первого псевдоожиженного слоя даже при условии низкой загрузки, когда происходит пониженное ожижение и только небольшое количество твердых частиц переносится газом на верхний уровень. Настоящее изобретение дает возможность, располагать первое соединение по вертикали в месте, где устанавливается соответствующая скорость потока твердых частиц, даже при условии низкой степени загрузки. И более того, при применении настоящего изобретения нет необходимости устанавливать перегораживающие стенки внутри первого реактора с псевдоожиженным слоем.

Основной задачей применения настоящего изобретения является получение простой, но эффективной реакторной системы с псевдоожиженным слоем, которая имеет возможность эффективно работать при различных условиях. Эта и другие задачи настоящего изобретения будут ясны при изучении подробного описания настоящего изобретения и из прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 представляет собой схематический вид сбоку, с вырезом части в корпусе реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем для лучшей иллюстрации первого примера воплощения устройства в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 изображает график, представляющий пример распределения плотности частиц в псевдоожиженных слоях устройства по фиг. 1; фиг. 3 - 5 аналогичны фиг. 1, но изображают различные примеры воплощения системы в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание чертежей.

На фиг. 1 изображена нижняя часть реактора с циркулирующим псевдоожиженным слоем в корпусе 10 в соответствии предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения. Детали верхней части не имеют существенного значения для настоящего изобретения и могут быть сконструированы в соответствии с технологией известного уровня техники. Верхняя часть должна, однако, включать выход 11 для газа, расположенный в верхней части корпуса 10, разделитель 12 частиц (например, циклон), а также трубопровод 13 для возвращающихся частиц, отделенных с помощью разделителя 12 в нижнюю часть корпуса 10. Продукт или выходящий газ (образующийся, например, в результате газификации или сгорания) выходит из разделителя 12 по линии 14.

В соответствии с настоящим изобретением первый псевдоожиженный слой твердых частиц 110 формируется в реакторной камере 112 внутри корпуса 10, имеющего сетку 114 для ввода ожижающего газа в первый псевдоожиженный слой 110 твердых частиц. Первый псевдоожиженный слой 110 формируется таким образом, что он представляет собой циркулирующий псевдоожиженный слой, то есть он работает таким образом, что значительный объем твердых частиц увлекается газом, перемещающимся по направлению вверх в реакторной камере 112, и возвращается через линию 13.

На фиг. 1 вариант воплощения первого псевдоожиженного слоя 110 твердых частиц отделен боковой стенкой 118 от второго псевдоожиженного слоя 116 твердых частиц, который имеет вторую сетку 120 для ввода ожижающего газа. Второй псевдоожиженный слой 116 твердых частиц формируется как барботажный псевдоожиженный слой, и в него вводятся твердые частицы из первого псевдоожиженного слоя через отверстие 122 в стенке 118. Боковая стенка 118 показана как стенка корпуса 10 и она расположена под углом большим, чем приблизительно 10 градусов к вертикали.

Первый, то есть быстрый или циркулирующий, псевдоожиженный слой 110 работает таким образом, чтобы образовать заранее заданное распределение первого вертикального градиента давления (Δp₁/Δh) в слое 110 псевдоожиженных твердых частиц. И второй, то есть медленный или барботажный псевдоожиженный слой 116, работает так, чтобы обеспечить заранее заданное распределение второго вертикального градиента давления (Δp₂/Δh). Отверстие или отверстия 122 (изображенные здесь только как одно отверстие, всего лишь для ясности иллюстрации) расположены в соответствии с изобретением на таком уровне, что твердые частицы из первого псевдоожиженного слоя 110 переносятся во второй псевдоожиженный слой 116, по существу, исключительно с помощью движущей силы, создаваемой большим градиентом давления (Δp₁/Δh) в циркулирующем псевдоожиженном слое 110 на уровне отверстия 122, чем в слое 116 в этом же месте.

Во втором псевдоожиженном слое 116 имеются по меньшей мере две камеры (124, 126), которые представляют собой входную камеру 124 для переноса твердых частиц по направлению вниз во втором псевдоожиженном слое 116 в его нижнюю секцию, и выходную камеру 126 для переноса твердых частиц по направлению вверх на уровень выше первой сетки 114. Отверстие 122 расположено в верхней секции входной камеры 124, соединяющей входную камеру 124 с циркулирующим псевдоожиженным слоем 110. В этом варианте воплощения поверхности теплопередачи 128 расположены только во входной камере 124, и площадь поперечного сечения входной камеры 124 намного больше, чем площадь поперечного сечения выходной камеры 126. Предпочтительно, площадь поперечного сечения зоны потока в выходной камере 126 составляет менее 50% площади поперечного сечения зоны потока входной камеры 124. Желательно, чтобы площадь поперечного сечения потока выходной камеры 126 составляла бы менее 30% или 25% общей площади поперечного сечения потока второго псевдоожиженного слоя 116, Во втором псевдоожиженном слое 116 может быть установлена разделяющая стенка 130 для улучшения движения твердых частиц в них во входной камере 124 второго псевдоожиженного слоя 116 и движения вверх в выходной камере 126. Эта разделяющая стенка 130 должна по меньшей мере обеспечивать требуемое движение твердых частиц во втором псевдоожиженном слое 116 так, чтобы достигалась требуемая скорость теплопередачи и чтобы не было циркуляции значительного объема твердых частиц по короткому пути (то есть пути короткого замыкания) непосредственно из отверстия 122 в выходное отверстие 132 в общей стенке 118 выходной камеры 126, в которой соответствующее функционирование второго псевдоожиженного слоя 116 достигается управлением скоростью флюидизации и объемом, проходящим через сетку 120, причем разделяющая стенка 130 может быть значительно короче, то есть может не проходить так близко к сетке 120, как показано на фиг. 1. Стенка 130 выполнена, практически полностью, в виде вертикальной стенки и имеет только небольшой изгиб или изогнутую секцию в месте ее соединения со стенкой 118.

В соответствии с настоящим изобретением становится возможным обеспечить циркуляцию твердых частиц по пути, включащем циркулирующий псевдоожиженный слой 110 - входную камеру 124 барботажного псевдоожиженного слоя 116 - выходную камеру 126 барботажного псевдоожиженного слоя - и обратно в циркулирующий псевдоожиженный слой 110, таким образом это дает возможность эффективно использовать всю площадь поверхности 128 теплопередачи во втором пседоожиженном слое без необходимости применения отдельного средства переноса для обеспечения движения твердых частиц. Кроме того, становится возможным одновременно обеспечить достаточных размеров поверхность теплопередачи во втором псевдоожиженном слое 116, достаточное количество материала, выходящего из циркулирующего псевдоожиженного слоя 110 даже при условии низкой степени загрузки, благодаря, по существу, низкому расположению по вертикали отверстия 122 в общей стенке 118, для достижения простой и экономически эффективной циркуляции твердого материала.

Поверхность 128 передачи тепла включает средство охлаждения, через которое циркулирует охлаждающее вещество (например, пар или вода), для охлаждения частиц в слое 116. Дополнительно или в качестве альтернативы может также использоваться любое другое обычное охлаждающее устройство, а поток охлаждающего вещества может быть функционально соединен с турбиной или с генератором пара и т. п., для использования тепловой энергии, отбираемой от твердых частиц, в медленном слое 116.

Первый псевдоожиженный слой 110 и второй псевдоожиженный слой 116 работают таким образом, что вертикальное распределение плотности твердого материала в слоях приводит к движению твердых частиц. Это распределение схематично представлено на фиг. 2. Обозначение B поясняет распределение плотности во втором псевдоожиженном слое 116, и C поясняет распределение плотности в первом слое 110. Выше некоторого уровня h₀ плотность первого псевдоожиженного слоя 110 выше, чем плотность во втором псевдоожиженном слое 116 на высоте Δh₄, что приводит к образованию разности давления Δp₁ = p_cgΔh. В циркулирующем псевдоожиженном слое 110 из твердых частиц (кривая C) ожижающий газ вводится через сетку 114, расположенную в донной части реакторной камеры 112, с такой скоростью, что значительный объем твердых частиц выносится газом, протекающим из нижней секции реакционной камеры 112 к верхней ее секции. Кроме того, средняя плотность частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое 110 постепенно уменьшается по направлению к верхней секции реакционной камеры 112, начиная с исходной плотности циркулирующего псевдоожиженного слоя 110 в его донной секции, как показано кривой C на фиг. 2. Кроме того, как ясно видно из фиг. 2, не существует четко выраженной верхней поверхности слоя 110, при этом суспензия, состоящая из газа и твердых частиц, постепенно разжижается по направлению вверх.

С другой стороны на фиг. 2 также показано, что в медленном или барботажном псевдоожиженном слое 116 существует четко выраженная верхняя поверхность, ниже которой плотность частиц является по существу постоянной, расположенная на высоте Δh₁, и выше которой присутствует только незначащее количество твердых частиц, то есть плотность твердого вещества по существу равна нулю выше верхней поверхности, как показано с помощью кривой B на фиг. 2. Плотность медленного псевдоожиженного слоя 116 управляется таким образом, чтобы она была выше, чем исходная плотность циркулирующего псевдоожиженного слоя в его донной секции на высоте Δh₁, (то есть на уровне сетки 114). В таких псевдоожиженных слоях устанавливаются значения давления, которые могут описываться с помощью уравнения Δp₁ = p_cgΔh или с помощью градиента давления Δp₁/Δh для циркулирующего псевдоожиженного слоя 110 и Δp₂ = p_Bgh p_bgh или с помощью градиента давления Δp₂/Δh для медленного или барботажного псевдоожиженного слоя 116. В медленном псевдоожиженном слое 116 плотность будет, конечно, значительно падать на высоте верхней поверхности псевдоожиженного слоя 116 и, таким образом, давление P₂ не будет увеличиваться выше верхней поверхности медленного псевдоожиженного слоя. [Эта высота равна h₀]. С другой стороны, поскольку средняя плотность частиц в циркулирующем псевдоожиженном слое 110 постепенно уменьшается по направлению к верхней реакционной камере 112, в циркулирующем псевдоожиженном слое 110 не существует резкого изменения. Это приводит к факту, что в месте по вертикали, расположенном на уровне или ниже верхней поверхности медленного псевдоожиженного слоя 116 на высоте Δh, которая равна или меньше, чем давление медленного псевдоожиженного слоя 116, будет больше, чем давление циркулирующего псевдоожиженного слоя 110, то есть Δp₂ > Δp₁. И соответственно в вертикальном местоположении выше верхней поверхности медленного псевдоожиженного слоя 116, на высоте Δh₄, которая больше, чем h₀, давление циркулирующего псевдоожиженного слоя 110 будет выше, чем давление медленного псевдоожиженного слоя 116, то есть Δp₁ > Δp₂. Это обеспечивает требуемое движение твердой фракции в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 1 отверстие 122 в общей стенке 118 расположено таким образом, что нижний край отверстия 122 находится на высоте h_o. Это приводит к движению твердых частиц из первого псевдоожиженного слоя 110 твердых частиц во второй псевдоожиженный слой 116 в область выше положения h_o, где твердые частицы падают в слой 116 на уровень ниже положения h_o. И, кроме того, как видно на фиг. 2, ниже этого положения плотность твердых частиц второго слоя 116 намного выше, чем в первом псевдоожиженном слое, так что в этом месте давление будет Δp_a = p_sgΔh. Однако отверстие 122 может быть расположено таким образом, что нижний край отверстия 122 будет находиться на высоте h_in, которая выше высоты h_o, например, как показано на фиг. 5. В этом случае движущая сила для ввода твердых частиц из первого псевдоожиженного слоя будет установлена между уровнем h_o и уровнем h_in. Суммарная движущая сила в таком случае, когда h_in представляет собой более высокий уровень, чем h_o, создается благодаря плотности твердых частиц во втором псевдоожиженном слое 116, кривая B должна быть уменьшена для высоты h_in с помощью определения среднего градиента давления для этой высоты. В основном движущая сила адекватна, если площадь A_B больше, чем площадь A_C.

Как показано на фиг. 1, второй псевдоожиженный слой 116 поднимается до более низкого уровня по вертикали, чем уровень первой сетки 114 первого псевдоожиженного слоя 110. Неожиданно было обнаружено, что становится возможным обеспечить требуемый объем твердых частиц для второго псевдоожиженного слоя 116 и таким образом получить требуемую величину поверхности теплопередачи в нем, размещая второй псевдоожиженный слой 116 на более низком уровне по вертикали, чем уровень первой сетки 114 первого псевдоожиженного слоя 110. При этом отверстие 122 может быть расположено на уровне, который обеспечивает функционирование даже в условиях низкой загрузки, т.е. при таком размещении, когда образуется значительный поток твердых частиц даже при условии низкой степени загрузки, когда вынос твердых частиц вверх незначителен. И, контролируя условия, которые приводят к требуемой разности давлений, (Δp₂-Δp₁) становится возможным обеспечить движение твердых частиц по следующему пути: циркулирующий псевдоожиженный слой 110 - входная секция 124 барботажного псевдоожиженного слоя 116 - выходная секция 126 барботажного псевдоожиженного слоя - циркулирующий псевдоожиженный слой 110. Эта разность давлений может использоваться для передачи твердых частиц по этому пути в расположенный внизу второй псевдоожиженный слой 116.

Выходная секция 126, в которой нет поверхности теплопередачи по варианту воплощения, изображенному на фиг. 1, может быть выполнена как узкая щель между перегородкой 130 и стенкой 131 корпуса 129, определяя второй псевдоожиженный слой 116 твердых частиц. Щель 126 может иметь такую же ширину, как и стенка 131, или может покрывать только часть стенки 131, и, предпочтительно, перегородка 130 имеет ширину, равную ширине выходной секции 126. Кроме того, возможно сформировать выходную секцию 126 в форме трубы или подобной ей структуры внутри камеры 116, причем один конец ее соединен с первым псевдоожиженным слоем 110 и второй конец соединен с нижней секцией второго псевдоожиженного слоя 116.

При работе реактора с псевдоожиженным слоем может также возникнуть потребность удалять более грубые частицы из системы. Предпочтительно это выполняется с помощью размещения во втором псевдоожиженном слое 116, управляемого с помощью вентиля выходного отверстия 134. При этом тепло твердых частиц, которые следует удалить из системы, перед удалением их из процесса может быть отобрано с помощью теплопередающих поверхностей 128.

На фиг. 3 изображен другой вариант воплощения настоящего изобретения. Он аналогичен, представленному на фиг. 1, но второй псевдоожиженный слой 116 твердых частиц сформирован иначе. В этом варианте воплощения входная секция 124 сформирована таким образом, что она имеет более суженное поперечное сечение для потока по сравнению с выходной секцией 126. Поэтому теплопередающие поверхности 128 размещены в выходной секции 126. Разделительная стенка 130 разделяет слой 116 на входную и выходную секции 124, 126. В этом варианте воплощения разделительная стенка 130 имеет высоту выше высоты расположения сетки 120 и, предпочтительно, расположена под углом, большим 20 градусов по отношению к вертикали. Перегородка 130 направляет поток твердых частиц таким образом, чтобы была достигнута требуемая степень охлаждения твердых частиц в выходной секции 126.

На фиг. 4 представлен еще один вариант воплощения настоящего изобретения. Он аналогичен вариантам, представленным на фиг. 1 и 3, за исключением того, что второй псевдоожиженный слой 116 твердых частиц сконструирован иначе. В этом варианте воплощения входная секция 124, выходная секция 126 сформированы таким образом, чтобы они имели, по существу, равные площади поперечного сечения потока. Поэтому теплопроводящие поверхности 128 помещены как в секции 124, так и в секции 126. Разделительная стенка 130, которая расположена под углом по вертикали, большим 20 градусов, а затем, практически, полностью вертикально, разделяет слой 116 на входную и выходную секции 124, 126. В этом варианте воплощения разделительная стенка 130 проходит до уровня ниже теплообменников 128 таким образом, что обеспечивается положительный поток твердых частиц для получения требуемой степени охлаждения твердых частиц в обеих камерах 124 и 126.

На фиг. 5 раскрывается еще один вариант воплощения настоящего изобретения. Он аналогичен представленному на фигуре 1, но второй псевдоожиженный слой 116 твердых частиц и сетка 114 сформированы в нем иначе. В этом варианте воплощения секция 124 занимает, по существу, весь объем слоя 116, а выходная секция 126 сформирована за пределами стенки 131 камеры. В этом варианте воплощения теплопередающие поверхности 128 размещены во входной секции камеры 124. Трубопровод 126 соединяет второй псевдоожиженный слой 116 и первый псевдоожиженный слой 110 с выходом в слой 110, приблизительно на уровне сетки 114.

Хотя были описаны различные варианты воплощения настоящего изобретения и прелагаемые его модификации, следует понимать, что могут быть выполнены и другие модификации в структуре и в размещении описанных вариантов воплощения без отхода от рассмотрения настоящего изобретения, которое в большей степени определено в нижеследующей формуле изобретения. Например, настоящее изобретение может быть применено к различным типам реакций или вариантам использования реактора с псевдоожиженным слоем. Кроме того, настоящее изобретение может применяться для систем, работающих как при атмосферном давлении, так и при давлении выше атмосферного (то есть под давлением - как описано в американском патенте 4869207). Компактная конструкция системы в соответствии с настоящим изобретением имеет целый ряд преимуществ, связанных с экономией пространства и с уменьшением требований к оборудованию по сравнению с известными устройствами.

Хотя настоящее изобретение было описано в соответствии с тем, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным вариантом воплощения, следует понимать, что настоящее изобретение не должно быть ограничено описанным вариантом воплощения, но, напротив, предназначено для описания различных модификаций и эквивалентных вариантов размещения в рамках объема и сущности прилагаемой формулы изобретения.

Формула изобретения

1. Реакторное устройство с псевдоожиженным слоем, содержащее реакторную камеру (112) с псевдоожиженным слоем, содержащую циркулирующий псевдоожиженный слой (110), имеющий первую сетку (114) для ввода ожижающего газа в циркулирующий псевдоожиженный слой, барботажный псевдоожиженный слой (116), имеющий вторую сетку (120) для ввода в него ожижающего газа, причем вторая сетка (120) установлена в положении по вертикали ниже первой сетки (114), первое соединение (122) между циркулирующим псевдоожиженным слоем и барботажным слоем, предназначенное для прохода твердых частиц из циркулирующего слоя в барботажный слой, причем первое соединение (122) размещено выше первой сетки в первом положении, второе соединение (132) между циркулирующим псевдоожиженным слоем и барботажным слоем, предназначенное для прохода твердых частиц из барботажного слоя в псевдоожиженный слой, причем второе соединение размещено на уровне первой сетки (114) или выше нее, отличающееся тем, что второе соединение (132) размещено ниже первого соединения (122), циркулирующий и барботажный слои (110, 116) выполнены с возможностью взаимодействия между собой так, что условия давления и плотности в слоях обеспечивают движущую силу, предназначенную для управления потоком частиц из циркулирующего слоя в барботажный слой через первое соединение и из барботажного слоя в циркулирующий слой через второе соединение, средство (128) охлаждения твердых частиц, размещенное в барботажном слое (116) для охлаждения в нем твердых частиц, а перегородка (130) размещена в барботажном слое (116), которая разделяет барботажный слой на первую и вторую камеры (124, 126), причем первая камера (124) непосредственно связана с первым соединением (122), а вторая камера (126) непосредственно связана с вторым соединением (132), причем перегородка выполнена с возможностью предотвращения циркуляции частиц по прямому пути между первым и вторым соединениями.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая камера (124) имеет первую площадь поперечного сечения, а вторая камера (126) имеет вторую площадь поперечного сечения, которая составляет менее 50% первой площади поперечного сечения.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средство (128) охлаждения размещено только в первой камере (124).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (128) охлаждения размещено в первой и во второй камере (124, 126).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (128) охлаждения размещено только во второй камере (126).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что реакционная камера (112) имеет первую боковую стенку (118), при этом первое соединение (122) содержит первое отверстие в первой боковой стенке, а второе соединение (132) содержит второе отверстие в первой боковой стенке.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что первая боковая стенка (118) расположена под углом больше приблизительно 10^o по отношению к вертикали, а второе соединение (132) расположено горизонтально между первым соединением (122) и первой сеткой (114).

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно содержит трубопровод (134) с вентилем для удаления твердых частиц, расположенный в непосредственной близости к второй сетке (120) для избирательного удаления твердых частиц из барботажного слоя (116) после охлаждения средством (128) охлаждения твердых частиц.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что часть второй сетки (120) расположена ниже и по горизонтали перекрывается с первой сеткой (114), причем вторая площадь поперечного сечения составляет менее 25% первой площади поперечного сечения, а второе соединение расположено в разрыве первой сетки.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (128) охлаждения содержит теплообменник косвенного действия.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что перегородка (130) проходит по существу только вертикально в пределах барботажного слоя (116).

12. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что дополнительно содержит перегородку (130), разделяющую барботажный слой на первую и вторую камеры, причем первая камера (124) непосредственно связана с первым соединением (122) и вторая камера (126) непосредственно связана с вторым соединением (132), причем перегородка выполнена с возможностью предотвращения циркуляции частиц по короткому пути между первым и вторым соединениями.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что перегородка проходит от первой боковой стенки по существу только под углом больше приблизительно 20^o к вертикали в пределах барботажного слоя.

14. Устройство по п.12, отличающееся тем, что перегородка проходит от первой боковой стенки сначала под углом больше приблизительно 20^o к вертикали, а затем практически полностью вертикально в пределах барботажного слоя.

15. Устройство по п.12, отличающееся тем, что перегородка проходит от первой боковой стенки от положения непосредственно выше второго отверстия и проходит практически полностью вертикально в пределах барботажного слоя.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что средство (128) охлаждения по меньшей мере частично размещено ниже уровня первой сетки (114).

17. Способ работы реакторного устройства с псевдоожиженным слоем, содержащего реакционную камеру (110), включающую первый псевдоожиженный слой и вспомогательную камеру (124, 126), содержащую второй псевдоожиженный слой (116), содержащий следующие этапы: (a) осуществление работы первого псевдоожиженного слоя (110) как быстрого циркулирующего псевдоожиженного слоя, (b) осуществление работы второго псевдоожиженного слоя (116) как медленного барботажного псевдоожиженного слоя; (c) образование первого потока частиц из первого соединения (122), расположенного в пределах первого слоя, во второй слой, (d) образование второго потока частиц из второго соединения (132), расположенного в пределах первого слоя, из второго слоя в первый слой, отличающийся тем, что способ содержит следующие операции: осуществление работы первого и второго слоев таким образом, что первый и второй потоки частиц протекают благодаря разности давления и плотности между слоями в месте расположения первого соединения и в месте расположения второго соединения, охлаждение частиц в барботажном слое между этапами (c) и (d), а также дополнительный этап (e) положительного направления потока частиц из первого соединения (122) через барботажный слой во второе соединение (132) таким образом, что по существу все частицы охлаждаются во время нахождения в барботажном слое, этап (e) осуществляют с помощью одной или большего количества перегородок (130) в барботажном слое.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что этап (c) осуществляют в первом вертикальном положении в пределах циркулирующего слоя, а этап (d) осуществляют во втором вертикальном положении в пределах циркулирующего слоя, которое расположено ниже, чем первое положение, причем все этапы (a) - (d) осуществляют таким образом, что средняя плотность в барботажном слое больше, чем плотность в циркулирующем слое в месте второго соединения.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что в реакционной камере размещают сетку (114) для ввода ожижающего воздуха в циркулирующий псевдоожиженный слой, а этап (d) осуществляют для ввода твердых частиц из барботажного слоя (116) в циркулирующий слой (110) в горизонтальной промежуточной части сетки снизу от сетки.

20. Способ по п.17, отличающийся тем, что в реакционной камере размещают сетку для ввода ожижающего воздуха в циркулирующий псевдоожиженный слой, а этап (d) осуществляют для ввода твердых частиц из барботажного слоя в циркулирующий слой в горизонтальной промежуточной части сетки снизу от сетки.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что этап (c) осуществляют в первом вертикальном положении в пределах циркулирующего слоя, а этап (d) осуществляют во втором вертикальном положении в пределах циркулирующего слоя, расположенном ниже, чем первое положение.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5