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PROCEDE ET APPAREIL POUR LA MANUTENTION DE MATIERES PULVERULENTES.
La présente invention se rapporte, d'une manière générale, à la manutention de matières solides finement divisées et' spécialement à la tech- nique de l'écoulement contrôlé de telles matières solides d'un niveau élevé à un niveau plus bas. L'invention se rapporte plus spécialement aux métho- des et moyens pour produire l'écoulement contrôlé de telles'matières solides pour réaliser l'alimentation ou la décharge de récipients de n'importe quel genre, tels que des réactors ou vases de réaction fermés, des réservoirs d'emmagasinage, des conduites transporteuses de matières solides, et analo- gues.
Dans la manutention de matières solides finement divisées, on cherche souvent à utiliser la tendance qu'ont ces matièreà s'écouler par gravité d'un niveau élevé à un niveau plus bas. Dans les cas de ce genre, il est courant de réaliser l'écoulement de ces matières solides vers le bas à travers un tube généralement vertical., en réglant la vitesse d'é- coulement par l'emploi de moyens mécaniques imposant une restriction à l'écoulement, tel que des soupapes à tiroir, des soupapes coniques, des trans- porteurs à vis et analogues, montés dans le tube ou attachés à celui-ci.
Bien que ces dispositifs connus puissent être appliqués avec suc- cès pour contrôler la vitesse d'écoulement de matières solides, ils sont tou- tefois peu prisés pour diverses raisons, parmi lesquelles on peut citer les fais élevés d'installation et d'exploitation, En outre, ces disposi- tifs s'obstruent facilement et ne sont que difficilement accessibles pour le nettoyage, par ailleurs, puisque ces dispositifs sont de construction mécanique et comportent des organes en mouvement, ils sont sujets à une for- te érosion, spécialement lorsqu'ils sont utilisés pour la manutention de ma- tières solides chaudes, et ils exigent, par-conséquent, de fréquentes répa- rations et remplacements,
un autre inconvénient de ces dispositifs connus réside dans leur manque de sécurité.pour éviter les fuites indésirables de gaz à travers le tube et ils ne donnent donc pas satisfaction pour l'amenée de matières solides finement divisées dans, ou leur évacuation de récipients
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fermes ou mis sous pression. De plus, ces dispositifs connus ne comportent pas de moyens pour minimiser les pertes de poussière pendant les opérations de transport des matières solides.
En outre, lorsqu'on désire réaliser l'écoulement de matières so- lides depuis une alimentation unique;, séparément vers plusieurs récipients ouvers un récipient unique, en plusieurs points différents de celui-ci, les méthodes et moyens appliqués précédemment exigent la prévision d'un or- gane séparéde contrôle de l'écoulement pour chaque récipient ou chaque point séparé dans lequel on désire produire l'écoulement desdites matières solides, de sorte que les dispositifs connus ne trouvent que des applica- tions limitées.
Un objet de l'invention est la prévision de méthodes et de moyens peu coûteux et sûrs pour réaliser l'écoulement contrôlé de matières solides finiment divisées à travers un tube généralement verticale depuis un niveau élevé vers un niveau plus bas, en utilisant la tendance qu'ont de tels solides à s'écouler par gravité entre ces deux niveaux. ces mé- thodes et moyens seront de conception et de fonctionnement simples, ne comprendront pas d'organes mobiles et fourniront néanmoins des dispositifs de contrôle de l'écculement de matières solides, qui auront une longue du- rée de service, même s'ils sont employés pour contrôler l'écoulement de ma- tières solides chaudes.
Un autre objet de l'invention est la prévision de méthodes et moyens pour réaliser l'écoulement contrôlé de matières solides finement divisées à travers un tube généralement vertical, dans ou hors de l'espace délimité par des récipients, en minimisant les fuites de gaz à travers ce tube vers ou hors de ces récipients.
Encore un autre objet de l'invention est la prévision de méthodes et moyens pour réaliser l'écoulement contrôlé de matières solides finement divisées, depuis une alimentation unique de ces matières, séparément dans différents récipients ou dans un récipient unique, en des points différents de celui-ci, sans exiger l'emploi d'un dis- positif séparé de contrôle de l'écoulement pour chaque récipient ou chacun desdits points, et sans exiger à cet effet l'emploi de dispositifs de con- trôle de l'écoulement, agencés à l'extérje r Gu récipient contenant les matières solides.
L'invention est basée sur l'idée fondamentale selon laquelle, lorsqu'une masse de matières solides finement divisées, s'étendant en hau- teur,vient à reposer sur une surface de support des matières solides, cel- les-ci s'appuieront normalement sur cette surface en formant un talus na- turel au repos, à condition que la surface de support soit assez grande pour contenir l'angle d'éboulement ou angle naturel de repos, tandis que si l'angle de repos du talus est dérangé dans une mesure suffisante par un courant de gaz de mise en mouvement, appelé gaz moteur, les matières soli- des au repos seront ameublies et s'écouleront par gravité par-dessus le bord de la surface de support des matières solides.
Dans ces conditions, la vitesse à laquelle ces matières solides s'écoulent de la surface de support est contrôlée par le réglage de la quantité de gaz moteur utilisée pour déranger l'angle naturel de repos desdites matières.
D'une manière générale la présente invention propose d'utiliser la tendance à s'écouler par gravité qu'ont les matières solides finement divisées, pour réaliser l'écoulement contrôlé de ces matières depuis une alimentation unique de celles-ci, et elle préconise d'accomplir cela en formant une masse de telles matières solides, s'étendant verticalement et pourvue d'une sortie de décharge dirigée latéralement, une surface de sup- port de ces matières solides s'étendant de cette sortie jusque dans la mas- se de matières solides, ladite surface de support ayant une superficie suf- fisante pour contenir l'angle du talus naturel des matières solides lors- qu'elles se trouvent normalement au repos sur ladite surface.
un courant de gaz moteur ou de mise en mouvement desmatières solides est projeté à travers la masse de matières solides, de façon à s'échapper par la sortie dirigée latéralement, le volume de ce courant de gaz qui s'échappe étant tel que sa vitesse à travers la sortie soit suffisante pour remuer les ma-
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tières solides au repos et les déviers à travers la sortie de façon à s'écou- ler de celle-ci, et la vitesse de l'écoulement des matières solides de la' sortie est contrôlée en réglant la quantité de gaz projeté qui s'échappe par la sortie..
Une importante particularité de l'invention réside dans le fait que la masse de matières solides dont provient le courant de solides est une masse compacte de matières solides reposant plus ou moins statiquement dans son récipient et doit être distinguée d'une masse fluidifiée de matières so- lides, telle qu'elle sera décrite ci-après. Une autre particularité réside dans le fait que le courant de gaz de mise en mouvement des solides, qui est projeté à travers les solides, a une très faible vitesse de masse, dont l'é- nergie peut être juste suffisante pour ébranler les solides au repos et les obliger à s'écouler de la sortie à la vitesse désirée.
Encore une autre particularité de l'invention réside dans la pré- vision d'un appareil échangeur de chaleur pour utiliser d'une manière unifor- me et efficace la chaleur sensible de particules solides finement divisées se trouvant en suspension dans le gaz. cet échangeur de chaleur convient au traitement de solides en suspension provenant d'une source appropriée quelconque, mais est particulièrement apte au traitement de solides en sus- pension à forte concentration.
Il est connu de faire passer des particules solides chaudes en suspension, de bas en haut à travers des tubes échangeurs de chaleur géné- ralement verticaux et de récupérer ainsi leur chaleur sensible, Les con- centrations de solides pouvant être admises dans ces appareils connus sont toutefois limitées à une faible valeur s'il faut maintenir une vitesse uniforme de passage des solides à travers l'échangeur, cela est dû au dérangement de l'équilibre de la suspension gaz-solides entrant dans l'ap- pareil, qui résulte du refroidissement des gaz et des solides ayant lieu dans l'appareil et provoquant une recirculation interne ou rétro-mélange de solides dans l'échangeur de chaleur proprement dit.
Cette recirculation interne des solides a manifestement pour effet :
1) de diminuer momentanément la vitesse à laquelle les solides sont déchargés de l'échangeur, jusqu'à une vitesse inférieure à celle à laquelle les solides sont initialement amenés dans l'appareil, cela est dû au fait que certains solides sont retenus dans 1-'échangeur pour la recir- culation dans celui-ci;
2) d'augmenter anormalement la concentration de solides dans l'é- changeur de chaleur pendant la période de vitesses de décharge réduites;
3) d'augmenter alors la décharge de solides jusqu'à une vitesse correspondant à la concentration de solides anormalement accrue;
et puisque la vitesse de décharge des solides aux concentrations anormale- ment élevées est beaucoup plus grande que la vitesse initiale d'alimenta- tion des solides, la concentration des solides à l'intérieur de l'échan- geur de chaleur décroit depuis une valeur anormalement élevée jusqu'à une valeur plus basse.
Le résultat final de ce phénomène est une vitesse cyclique de pas- sage des solides à travers l'échangeur, qui varie d'une vitesse plus faible que la vitesse d'alimentatiomn initiale jusqu'à une vitesse considérablement plus grande que celle-ci. La vitesse cyclique de passage des solides pro- voque des fluctuations dans l'opération d'échange thermique. En outre, un échangeur de chaleur à fonctionnement cyclique ne peut pàs être utilisé comme source sûre de solides refroidis en vue de leur emploi pour la re- mise en circulation comme moyen de réglage de la température.
La perturbation cyclique décrite ci-dessus devient de plus en plus gênante à mesure que la grandeur des particules solides dans la sus- pension d'alimentation diminue et/ou que la concentration de solides dans l'alimentation est augmentée, ce qui constitue un sérieux inconvénient puisqu'il est toujours désirable de maintenir des concentrations élevées
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de fines particuless solides à l'intérieur de la chambre d'échange thermique, afin d'augmenter l'efficacité du processus de transmission de-chaleur.
Il a maintenant été découvert que cette perturbation cyclique peut être évitée à l'intérieur d'une chambre verticale d'échange thermique, de sorte qu'il est possible d'enlever des solides refroidis du système d'é- change thermique, à une vitesse uniforme qui est sensiblement égale à la vi- tesse à laquelle ces solides sont initialement amenés à la chambre d'échan- ge thermique, notamment en prévoyant une zone de stabilisation de températu- re sensiblement uniforme qui est située directement au-dessus de-la cham- bre thermique et qui communique avec celle-ci, De cette façon, on exerce un effet amortisseur sur la suspension dans la chambre d'échange thermique, grâce au fait que, dans la zone de stabilisation, les vitesses des gaz se stabilisent manifestement et la recirculation interne des solides diminue,
avec le résultat que la concentration anormalement élevée des solides dé- croît jusqu'à une valeur plus faible telle que la vitesse à laquelle les so- lides sont déchargés de la zone de stabilisation se stabilise à une vitesse sensiblement égale à la vitesseà laquelle ces solides entrent initialement dans la chambre d'échange thermique. De ce fait, le fonctionnement de l'é- changeur de chaleur devient, dans son ensemble, plus efficace et plus unifor- me, puisque la vitesse de passage des solides est maintenue sensiblement uni- forme et que la quantité de chaleur récupérée par unité de temps sera uniforme et pourra etre déterminée d'avance pour toute vitesse donnée d'ali- mentation des solides dans l'échangeur de chaleur.
En outre, on peut main- tenir constamment des concentrations élevées de particules solides fines dans l'échangeur de chaleur, en augmentant ainsi l'efficacité de la transmission de chaleur totale,
Conformément à cette particularité de l'invention, la zone de stabilisation située au-dessus de l'échangeur de chaleur proprement dit est une zone verticale isothermique, où il n'existe plus de gradient de température de la paroi jusqu'au centre et dans laquelle les effets de re- circulation interne diminuent graduellement tandis que la concentration dé- croît jusqu'à une densité qui est en équilibre avec la vitesse initiale d'a- limentation des solides,
A titre démonstratif, certains modes de réalisation de l'inven- tion seront décrits ci-après avec référence aux dessins annexés.
Etant donné que la Fig 3 montre une réalisation comportant un réactor ou vase de réaction de matières solides fluidifiées, il sera utile d'exposer sommairement la nature et le fonctionnement de réactors de ce genre utilisés pour effectuer des opérations de fluidification de matiè- res solides.
Dans la technique de fluidification des solides pour le traite- ment de matières solides finement divisées, un lit de ces matières solides est en général maintenu à l'état d'une suspension homogène et dense, se trouvant en mouvement, se comportant comme un liquide turbulent et présen- tant un niveau fluide. Cela est obtenu en faisant passer à travers le lit un courant ascensionnel de gaz à une vitesse suffisante pour augmenter con- sidérablement la hauteur du lit et maintenir ses particules en suspension turbulente dans le courant de gaz ascensionnel, mais cependant à une vites- se insuffisante pour que les gaz puissent entraîner une quantité apprécia- ble de particules solides et les enlever ainsi du réactor.
Dans de telles conditions, le lit est appelé un lit fluidifié, Le niveau fluide de ce lit fluidifié est maintenu par l'emploi d'un dispositif de décharge des solides, de sorte qu'à mesure qu'on introduit plus de particules solides dans le lit, l'augmentation de hauteur du lit qui en résulte produit la décharge d'autres particules de ce lit.
Grâce à la turbulence des lits fluidifiés, l'échange thermique par et entre les particules formant ces lits ést presque instantané, de sor- te que si deux charges de particules ayant des températures différentes sont mélangées dans un lit fluidifié,le mélange qui en résulte prendra presque instantanément une température intermédiaire entre les températures des deux dites charges.
En outre, cet échange thermique rapide crée une température
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pratiquement uniforme dans toute l'étendue du lit,
Dans les dessins annexés : la Fig. 1 illustre les détails de l'idée fondamentale de l'in- vention; la Fig. 2 montre les détails d'une variante de l'invention;
la Fig. 3 montre une réalisation de l'invention en combinaison avec un réactor pour matières solides fluidifiées, coopérant avec une installation extérieure de dépoussiérage, ainsi qu'un dispositif extérieur pour le chargement de l'échangeur de chaleur, et la Fig. 4 montre un échangeur de chaleur disposé verticalement, convenant spécialement pour recevoir et utiliser efficacement des concen- trations élevées de particules solides entraînées par du gaz. la Fig. 1 illustre l'idée fondamentale de la présente inven- 'tion. Cette figure montre une partie d'une chambre 437 contenant des matières solides. Une sortie 438 supportant des solides et s'étendant la- téralement, est prévue pour supporter des solides et pour les guider de fa- çon à s'écouler par l'orifice de sortie 430 lorsque des conditions appro- priées existent dans la chambre.
En Fig. 1, la sortie 438 est un conduit de forme générale cylindrique. Des matières solides finement divisées in- troduites dans la chambre 437 forment dans celle-ci une masse dense de par- ticules solides 440. Dans des conditions normales - c'est-à-dire sans que du gaz moteur ou de mise en mouvement ne s'écoule par la sortie 438 - les particules solides de la masse 440 reposent sur la surface inférieure de la sortie 438 suivant un talus naturel au repos. Lorsque du gaz moteur est toutefois conduit à travers la masse de solides pour s'échapper par l'ouver - ture libre 430 de la sortie 438, ledit talus au repos est détruit et les solides sont délogés de façon qu'ils s'écoulent par la sortie.
La Fig. 1 montre 'des solides qui s'écoulent de la sortie et le passage de gaz moteur à travers la masse de solides est indiqué par des flèches. La sortie 438 doit avoir une longueur suffisante e être conformée de telle façon qu'elle contiendra le talus naturel au repos que formera la masse de matières soli- des lorsqu'on ne fait pas passer de gaz moteur à travers cette masse. la Fig. 2 montre les détails d'un dispositif de décharge tel que 35 ou 135 de la Fig. 3. Dans la Fi;, 2, une colon¯ne ou un tuyau verti- cal 537 est prévu pour recevoir des matières solides finement divisées, à traversson extrémité supérieure 547, une tubulure 538 supportant les so- lides, qui s'étend latéralement et présente une extrémité ouverte 530, est attachée à l'extrémité inférieure du -tuyau 537.
Un conduit 539, muni d'une valve 539a, pénètre dans le tuyau 537 à un niveau intermédiaire situé à une distance appréciable au-dessus de l'extrémité ouverte 530. Lorsque des so- lides sont introduits dans le tuyau vertical 537 par son extrémité ouverte 547 , ils forment dans celui-ci une colonne dense de matières solides 540.
A mesure que cette colonne de solides s'accumule, elle forme une colonne primaire de solides PC de hauteur pratiquement constante et s'étendant de- puis le fond de la tubulure 538 jusqu'à un niveau situé dans la région où le conduit 539 pénètre dans le tuyau 537. Cette colonne primaire pc de hau- teur constante forme un joint permanent contre les gaz pour empêcher des fuites indésirables de gaz à travers le tuyau 537. Le niveau supérieur de la colonne primaire PC se trouvera en général un peu au-dessus du ni- veau du conduit 539 et en aucun cas le niveau supérieur de la colonne'primai- re PC ne se trouvera au-dessous du niveau du conduit 539.
En supposant que le gaz moteur soit amené à une vitesse déter- minée par le conduit 539, les solides entrant dans le tuyau 537 formeront, après avoir d'abord formé la colonne primaire à hauteur constante pC, une colonne secondaire SC de hauteur variable s'étendant au-dessus du point d'en- trée du gaz. Lorsque la colonne secondaire SC atteint une hauteur suffisan- te pour offrir à l'écoulement du gaz moteur vers le haut une résistance plus grande que celle offerte par la colonne primaire pc à l'écoulement du gaz moteur vers le bas, une partie du gaz sera déviée vers le bas depuis son
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point d'entrée et descendra à travers le tuyau 537 pour s'échapper par l'extré- mité ouverte 530 de la tubulure 538.
En sortant par cette extrémité ouverte 530, ce gaz détruit l'angle normal du talus de solides au repos, en délogeant ainsi les solides et en provoquant leur écoulement par l'extrémité ouverte 530.
La vitesse à laquelle les solides s'écoulent de l'ouverture ouver- te 530 dépend de la quantité de gaz moteur déviée vers le bas à travers le tuyau 537, et la quantité de gaz ainsi déviée dépend, à son tour, de la hauteur de la colonne secondaire SC. La hauteur de la colonne secondaire varie en fonction de la vitesse d'introduction des solides dans le tuyau 537. Ainsi, lorsque la vitesse d'alimentation des solides augmente, à la fois la hauteur de la colonne secondaire SC et la quantité de gaz déviée vers le bas à travers le tuyau ver- tical augnentent, ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse de dé- charge des solides par l'ouverture 530.
Dans cette forme de réalisation de --- l'invention, la vitesse à laquelle les solides sont déchargés par l'ouverture 530 est donc,contrôlée en réglant la vitesse à laquelle les solides sont intro- duits dans le tuyau 537. Dans le cas où l'alimentation de solides est arrêtée la décharge de solides par l'ouverture 530 continuera à une vitesse réduite jusqu'à ce que la colonne secondaire SC soit descendue pour former la colonne primaire PC.
A ce moment, tout le gaz moteur amené s'écoulera vers le haut à travers le tuyau vertical et la colonne primaire PC restera stationnaire dans le tuyau vertical et se trouvera au repos dans la tubulure 538 de support des solides, assurant ainsi un joint contre les gaz à l'intérieur dudit tuyau, bien que l'écoulement de solides de celui-ci ait cessé,
Dans la Fig. 2, la quantité totale de gaz moteur amenée est figurée par quatre flèches et l'on constate que la colonne secondaire SC a une hauteur suffisante pour qu'approximativement la moitié de cette quantité totale de gaz soit déviée vers le bas à travers le tuyau vertical.
Dans la Fig. 3, le réactor ou vase de réaction R comprend un corps cylindrique 11 muni d'une paroi extérieure métallique 12 et d'un revêtement 13 en matière réfractaire. Le réactor comprend un couvercle 14 et un fond conique 15 qui est pourvu d'un obturateur 16 permettant le nettoyage, une plaque de contraction 17 munie d'ouvertures 18 est agencée dans le fond du réactor et s'étend sur toute la section transversale de celui-ci, ladite pla- que étant destinée à supporter un lit fluidifié de matières solides 19, au- dessus duquel existe un espace libre 20. par le conduit 23 qui est pourvu d'une valve 23a, du combustible peut être amené directement au lit fluidifié 19.
De l'air de fluidification est introduit sous la plaque 17 par le con- duit 22 muni d'une valve 22a, En cas de besoin, du combustible pour la mise en marche peut être amené par le conduit 24 pourvu d'une valve 24a, pour être brûlé dans un brûleur non montré dans le dessin. Les gaz d'échappement quit- tent le réactor par le conduit 25 qui est muni d'une valve 25a, Des solides venant du dispositif d'alimentation 35 sont introduits dans le réactor par le conduit d'alimentation 30.
Le dispositif d'alimentation 35 comprend une trémie de chargement 36 dans laquelle les solides sont introduits comme indiqué par la flèche. Un tuyau généralement vertical 37 est attaché au fond de la trémie 36, lequel tuyau se termine par une partie 38 s'étendant latéralement et supportant les solides, qui relie le tuyau 37 au conduit d'alimentation 30. Ce dernier peut pénétrer dans le lit 19, comme montré dans le dessin, ou bien il peut s'arrê- ter dans l'espace libre 20, de sorte que les solides amenés tombent à travers cet espace libre dans le lit 19. Du gaz moteur est amené dans le tuyau 37 par le conduit 39 qui est muni d'une valve 39a
Les gaz sortant du réactor par le conduit 25 entrent dans l'appa- reil de dépoussiérage 45, où les solides entraînés sont séparés des gaz.
Les gaz exempts de poussières quittent l'appareil 45 par le conduit 46, tandis que les solides séparés sont évacués par la sortie 47 vers le dispositif de dé- charge 135. Celui-ci comprend un tuyau vertical 137 qui se termine par une partie 138 s'étendant latéralement et supportant les solides, qui relie le tuyau 137 au conduit de décharge 130. Du gaz moteur est amené dans le tuyau 137 par le conduit 139 et la quantité de gaz est 'réglée par la valve 139a.
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Les solides déchargés de l'appareil .dépoussiéreur 45 tombent à tra- vers la sortie 47 dans le tuyau 137 où ils forment une colonne dense de solides 140 qui est supportée par le tronçon latéral 138 et forme normalement un talus au repos dans ce tronçon. Lorsque la hauteur de cette colonne dépasse l'entrée de gaz 139, cette colonne exercera une pression sur le gaz amené, en réduisant l'écoulement de ce gaz vers le haut et en déviant une partie de celui-ci vers le bas à travers le tuyau 137 pour sortir par le tronçon latéral 138; en sor- tant de celui-ci, le gaz détruit le talus de solides au repos dans ce tronçon et provoque l'écoulement des solides dans le tuyau de décharge 130.
Lorsque l'évacuation de solides de l'appareil 45 cesse, tandis que l'amenée de gaz par le conduit 139 se poursuit, l'écoulement de solides par le tronçon latéral 138 continuera à vitesse réduite pour s'arrêter lorsque le sommet de la colon- ne 140 a atteint un niveau tel que la colonne n'exerce plus une pression suffi- sante pour dévier du gaz moteur vers le bas dans le tuyau vertical. Dans des conditions normales, lorsque l'écoulement de solides a cessé, le niveau supé- rieur de la colonne 140 se trouvera légèrement au-dessusde l'entrée de gaz 139.,et en aucun cas le niveau supérieur de la colonne 140 ne tombera au-dessous du point où le conduit d'amenée de gaz 139 entre dans le tuyau 137.
Lorsque des solides sont évacués de l'appareil dépoussiéreur 45 et qu'une colonne suffisante de matières solides 140 a été formée pour amorcer l'écoulement de solides du tronçon 138, la vitesse d'écoulement des solides de ce tronçon 138 correspondra à la vitesse à laquelle les solides sont déchargés par la sortie 47 dans le tuyau 137, et toute variation de la-vitesse à laquel- le les solides entrent dans ce tuyau 137 engendrera automatiquement une varia- tion correspondante de la vitesse à laquelle les solides sont déchargés du tronçon 138.
La présence d'une colonne de solides dans le tuyau vertical 137 empêche l'échappement de gaz de l'appareil dépoussiéreur 45 vers le bas dans le tuyau 137, et même lorsqu'il ne sè produit pas d'écoulement de solides du tronçon 138, la colonne résiduelle de solides restant dans le tuyau 137 assu- rera toujours l'étanchéité aux gaz.
Des matières solides peuvent être évacuées du lit fluidifié 19 par le conduit de décharge 247 et le dispositif de décharge 235. Ce dernier com- prend un tuyau vertical 237 à l'extrémité inférieure duquel est attaché un tron- çon de tube 238 s'étendant latéralement et reliant le tuyau 237 à un conduit de décharge finale 230. une admission de gaz moteur 239, munie d'une valve 239a, pénètre dans le dispositif de décharge à un niveau correspondant pratiquement à celui du tronçon de tube 238.
La prévision de l'entrée de gaz 239 à cet endroit permet le contrô- le manuel positif de la vitesse à laquelle les solides s'écoulent du tube 238.
En effet, les solides tombent du lit 19 dans le conduit 247 et puis dans le tuyau vertical 237, où ils forment une colonne dense de matières solides 240 qui prend normalement appui dans le tronçon 238 suivant un talus au repos.
Lorsqu'on désire provoquer un écoulement de solides du tronçon 238, on intro- duit dans celui-ci du gaz par le conduit 239; et la vitesse à laquelle les so- lides s'écoulent du tronçon 238 est contrôlée en réglant la quantité de gaz mo- teur amenée dans celui-ci.
Lorsqu'on désire enlever des solides du lit fluidifié 19 en vue de les transporter par un courant de gaz porteur vers un échangeur de chaleur ou un autre appareil de traitement, ces solides sont enlevés et puis introduits dans le système transporteur par le dispositif représenté dans la partie du dessin montrée à plus grande échelle et entourée d'un cercle, qui est désigné dans son ensemble par 335.
Ce dispositif comprend un conduit de décharge 347 allant du lit fluidifié 19 à une chambre verticale 337. celle-ci est pourvue de plusieurs sorties s'étendant latéralement 342, 343, 344 et 345 qui communi- quent avec un conduit transporteur de solides 350 qui s'étend sur toute la hau- teur de la chambre 337 et est agencé de façon à former un conduit récepteur de solides, qui est commun à toutes les sorties 342, 343, 344 et 345. Un courant ascensionnel de gaz porteur est admis dans le conduit 350 et sa vitesse est ré - glée par la valve 351,
Du gaz moteur est amené dans la chambre 337 par le con- duit 339 et ce conduit agit comme un distributeur de gaz pour amener du gaz En différents points dans la chambre 337, chacun de ces points correspondant à une des sorties. Ces points sont situés pratiquement aux mêmes nivèaux que les
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sorties. Le dessin montre une soupape principale de commande 339a, ainsi qu'u- ne série de soupapes indépendantes de commande 339b, qui permettent aussi bien le contrôle simultané que le contrôle indépendant de la vitesse d'écoulement des solides de chacune'des sorties. Les solides devant être déchargés passent du lit 19 par le conduit 347 dans la chambre 337 et forment dans celle-ci une masse dense de matières solides 340.
Cette masse s'appuie normalement sui- vant des talus au repos dans les différentes sorties. Lorsqu'on désire pro- voquer un écoulement de solides, celui-ci est amorcé en admettant du gaz mo- teur par le distributeur de gaz 339 et la vitesse à laquelle les solides sont déchargés dans le conduit 350 pour être entraînés par le courant de gaz porteur traversant celui-ci est contrôlée en réglant la vitesse à laquelle du gaz mo- teur est amené dans la chambre 337 par le conduit 339. Ce dispositif assure une adjonction accrue de solides au courant de gaz transporteur de solides et permet d'atteindre des concentrations beaucoup plus grandes de solides dans de tels courants de gaz qu'il n'est possible d'atteindre par d'autres métho- des d'addition de solides à de tels courants de gaz.
Lorsqu'on emploie l'un quelconque des dispositifs illustrés pour décharger des solides de récipients sous pression, il peut se présenter des cas où il est impossible d'empêcher la fuite de gaz du récipient vers le bas à travers la colonne de matières solides. En pareil cas, il peut être néces- saire de prévoir un tuyau d'échappement de gaz, muni d'une valve et situé à une certaine distance au-dessus du point d'entrée du gaz. un tel tuyau évacue- rait les gaz de fuite ou gaz emprisonnés indésirables et les empêcherait ainsi d'amorcer l'écoulement de solides lorsque l'amenée de gaz moteur cesse.
Un autre détail de construction non montré dans les dessins est la prévision d'une valve de nettoyage à la base des tuyaux verticaux pour per- mettre un accès facile en vue du nettoyage, Les dispositifs 35, 135, 235 et 335 de la Fig. 3 ne sont pas équivalents, mais constituent des variart es qui sont utiles dans des conditions différentes.
La Fig. 4 montre un échangeur de chaleur E convenant pour recevoir de fortes concentrations de solides dans des gaz et utiliser leur chaleur sensi- ble d'une façon uniformément efficace. Cet appareil peut par exemple être uti- lisé rationnellement en combinaison avec le dispositif 335 de la Fig. 3 ou avec tout autre dispositif transporteur de solides. Lorsqu'il est relié au disposi- tif 335, le conduit transporteur de solides 350 peut être un prolongement du con- duit 350 de la Fig. 3, tandis qu'un conduit de décharge tel que 64 peut être utilisé pour déboucher directement dans la trémie 36 de la Fig. 3 ou même di- rectement dans le conduit 37 de la Fig 3, en un point situé au-dessus du ' point d'entrée du conduit 39.
Dans un tel ensemble, l'échangeur de chaleur E est équipé pour refroidir des solides chauds qui sont déchargés du réactor R de la Fig. 3 et pour ramener dans le réactor une partie voulue de solides refroi- dis, dans le but de contrôler la température.
L'échangeur de chaleur comprend principalement la zone A qui forme la zone d'échange thermique proprement dite, et la zone B qui est la zone de stabilisation.dela suspension de matières solides et dans laquelle la concen- tration des solides en suspension diminue de façon que la vitesse à laquelle les solides sont déchargés de la zone B se trouve en équilibre avec la vitesse à laquelle les solides sont introduits dans la zone A.
La zone A comprend une chemise extérieure dans laquelle circule un réfrigérant 51 qui entoure un conduit transporteur de solides 52 dans le but d'extraire de la chaleur des solides passant par le tuyau 52. Une partie coni- que 74 est prévue à la base de la zone A et présente, à son extrémité inférieu- re, un diamètre intérieur qui est égal au diamètre intérieur du conduit 350.
Le réfrigérant est amené dans la chemise 50 par le conduit 53 et la vitesse d'alimentation est contrôlée par la valve 54. Du réfrigérant chaud ou vapori- sé est évacué de la chemise 50 par le conduit 55 et est envoyé directement vers un endroit de traitement ou d'emmagasinage, ou est éventuellement recyclé par la chemise 50. Des thermocouples sont prévus en 56, 57 et 58 pour vérifier les températures de la suspensions gaz-solides dans le conduit montant 52.
La zone B, désignée dans son ensemble par la référence 60, comprend une enveloppe extérieure 61 et un conduit intérieur 52 pour le transport de so-
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lides. Une couche isolante 62 est prévue entre la paroi extérieure 61 et le conduit transporteur 52. Le tronçon 60 est muni d'un couvercle 63 qui est agencé à une certaine distance au-dessus de la sortie du tuyau transporteur de solides 52.
Les solides chauds en suspension montent dans le conduit 52 par la zone A, ou de la chaleur sensible est enlevée, et puis par la zone B, où la suspension de solides est stabilisée et où sa concentration de matières so- lides diminue, de façon que les solides soient déchargés de l'extrémité supé- rieure du conduit 52 pour ensuite s'écouler ou être soufflés à travers le con- duit 64 (muni d'une valve en 65) et retourner vers le réactor. Si on le dési- re des solides refroidis peuvent être déchargés du système par le conduit 66 qui est pourvu d'une valve én 67.
Dans la'zone A de l'échangeur de chaleur se produit une augmenta- tion de la concentration en solides de la suspension. Théoriquement on peut admettre que cette augmentation est due au refroidissement brusque de la sus- pension de solides qui se produit le long de la périphérie du conduit transpor- teur 52 et que ce refroidissement rompt l'équilibre de la suspension montante de solides dans le gaz, en provoquant ainsi une rétro circulation interne dans la zone A du conduit 52, de sorte que la concentration de solides dans cette zone augmente considérablement par rapport à celle existant dans la suspension entrant dans l'appareil.
Lorsque cette suspension de concentration accrue mon- te dans la zone B, il se produit apparemment une opération stabilisatrice et, pour une raison ou une autre, la concentration de solides dans la suspension diminue progressivement jusqu'à un point où il existe pratiquement un équili- bre avec la vitesse à laquelle les solides sont initialement amenés dans la zone A. Gela signifie que la concentration de solides dans la suspension quit- tant l'extrémité supérieure du conduit 52 est telle que la vitesse à.laquelle les solides sont déchargés de celui-ci soit sensiblement égale à la vitesse à laquelle les solides entrent initialement dans la zone A par le conduit 350.
Le résultat final est alors que, bien qu'il existe une concentration accrue de solides dans la zone A, les solides sont cependant déchargés du sommet de la zone B à une vitesse uniforme qui est sensiblement égale à la vitesse à laquel- le les solides sont initialement amenés dans la zone A.
Ce passage uniforme de solides permet à l'opérateur de contrôler étroitement la température dans le réactor parce qu'il peut recycler vers ce- lui-ci des solides froids à une vitesse uniforme. En outre, l'extraction de chaleur de la suspension montant à travers la zone A est également uniforme et, par conséquent, la chaleur est directement utilisable sans qu'il soit né- cessaire d'effectuer des ajustements continuels afin de l'amener dans des li- mites de température prescrites.
La construction de la zone de stabilisation B doit être telle qu'il existe un espace suffisant pour permettre la réduction de la concentration de solides et pour permettre à la vitesse de décharge des solides de se mettre en équilibre avec la vitesse à laquelle les solides sont amenés initialement dans la zone A. Gela signifie que la construction de la zone B, principalement à sa longueur, variera en fonction de la finesse des solides traités, ainsi qu'en fonction de la concentration des solides dans la suspension d'alimentation ini- tiale. Il a toutefois été constaté qu'en règle générale une zone de stabilisa- tion ayant une longueur égale aux trois quarts de celle de la zone d'échange thermique fonctionnera d'une manière satisfaisante et assurera un grand .coef- ficient de sécurité de construction.
Bien qu'on ait décrit un système échangeur de chaleur comportant un seul conduit transporteur de solides, il est bien entendu que l'invention est tout aussi bien réalisable avec des conduits multiples dans la chambre d'é- change thermique ou dans la chambre de stabilisation, ou dans les deux chambres.
En outre, des matières solides peuvent être introduites dans l'échan@eur de chaleur E depuis une source appropriée quelconque capable de charger-un courant de gaz porteur de matières solides.
Exemple 1.
On a effectué des essais de laboratoire en employant un dispositif
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semblable à celui illustré dans la Fige 2 ou formé des ensembles 35 et 135 de la Fig.3, pour la manutention de solides calcaires finement divisés ayant un diamètre moyen de 100 microns. on a utilisé un tuyau montant ayant un diamètre intérieur de 2" (environ 50,8 mm) A l'extrémité inférieure du tuyau était fixé un coude standard de 2" avec réduction et un raccord ayant un diamètre intérieur de 1/2" et une longueur de 1", de façon à former un tuyau montant ayant un diamètre intérieur de 2" et une sortie décalée latéralement à son extrémité infé- rieure et ayant un diamètre intérieur de 1/211. Une entrée de gaz était prévue à une distance de 9" au-dessus de l'ouverture de décharge.
L'admission d'air était de 0,045 CFM (cubic feèt/minute : pieds cubes par minute; 1 CFM = 28,315 dm3/minute)., l'air étant à 20 C et à 1 atmosphère.
Des solides calcaires fins (grandeur moyenne de 100 microns) ont été introduits dans l'extrémité supérieure du tube montant, dans lequel on a formé une colon¯ne primaire de 9". En poursuivant l'alimentation, on a formé une colonne secondaire et les solides ont commencé à s'écouler par l'ouverture de décharge inférieure.
A une vitesse d'alimentation des solides de 213,5 livres (1 livre = 453,6 gr.) par heure, il s'est formé une colonne secondaire d'une hauteur de 1,3 pied (1 pied = 30,48 cm) et les solides s'écoulaient de l'ouverture de dé- charge à une vitesse de 213,5 livres par heure.
Lorsque la vitesse d'alimentation des solides était portée à 480 livres par heure, la colonne secondaire atteignait une hauteur de 2,15 pieds et la vitesse de décharge des solides était de 480 livres par heure.
Une nouvelle augmentation de l'alimentation de solides jusqu'à 539 livres par heure donnait lieu à la formation d'une colonne secondaire de 3,1 pieds de hauteur et la vitesse dé décharge des solides montait à 539 livres par heure.
Dans tous les cas, la colonne secondaire s'établissait à un niveeu constant lorsque l'équilibre était atteint entre la vitesse d'alimentation et la vitesse de décharge. Des variations de la vitesse d'alimentation provoquaient un ajustement automatique de la hauteur de la colonne secondaire à un nouveau niveau d'équilibre.
Les pertes de poussières étaient réduites grâce au fait que les so- lides avaient l'occasion de se déposer en passant par la phase à colonne dense.
Exemple II.
On a effectué des essais de laboratoire en employant un dispositif semblable à celui illustré par l'ensemble 235 de la Fig. 3. On a utilisé un tuyau montant ayant un diamètre intérieur de 1" et à l'extrémité inférieure duquel était fixé un raccord en T d'un diamètre intérieur de 1 1/4 il, qui s'é- tendait latéralement et présentait une extrémité fermée dans laquelle péné- trait un tube de 1/4"pour l'amenée de gaz moteur. L'extrémité ouverte du T était munie d'un court manchon de 1 1/4".
Du sable, dont les particules avaient une grandeur moyenne comprise entre 40 et -20 Tyler screen Mesh (mailles de ta- mis système Tyler), était déversé de façon continue dans l'extrémité supérieure du tuyau montant et la vitesse à laquelle le sable s'écoulait de l'extrémité libre du T était contrôlée en réglant la quantité de gaz amenée par le conduit d'alimentation de gaz. De l'air a été employé comme gaz moteur.
En travaillant dans les conditions indiquées, on a obtenu les résul- tats suivants :
EMI10.1
<tb> Gaz <SEP> moteur <SEP> en <SEP> CFM <SEP> (pieds <SEP> Vitesse <SEP> d'écoulement <SEP> des
<tb>
<tb>
<tb> cubes <SEP> par <SEP> minute) <SEP> solides,
<tb>
<tb>
<tb> (Air <SEP> à <SEP> 20 C <SEP> et <SEP> 1 <SEP> atmosphère), <SEP> en <SEP> livres <SEP> par <SEP> minute.
<tb>
<tb>
<tb>
0 <SEP> 0
<tb>
<tb>
<tb> 0,6 <SEP> 2,1
<tb>
<tb>
<tb> 0,75 <SEP> 5,0
<tb>
<tb>
<tb> 0. <SEP> 90 <SEP> 9,3
<tb>
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EMI11.1
<tb> Gaz <SEP> moteur <SEP> en <SEP> CFM <SEP> (pieds <SEP> Vitesse <SEP> d'écoulement <SEP> des
<tb> cubes <SEP> par <SEP> minute) <SEP> solides,
<tb> (Air <SEP> à <SEP> 200 C <SEP> et <SEP> 1 <SEP> atmosphère), <SEP> en <SEP> livres <SEP> par <SEP> minute.
<tb>
<tb>
1,00 <SEP> 12,8
<tb> 1,la <SEP> 16,8
<tb> 1,25 <SEP> 26,4
<tb>
Exemple III.
Dans des essais de laboratoire, on a employé un dispositif similai- re à l'ensemble 335 de la Fig. 3,
Dans l'appareil utilisé, les dimensions de la chambre de réception des solides étaient de 4' x 3" x 2 1/2". Un conduit ayant un diamètre intérieur de 1 1/211 pour alimenter la chambre en solides finement divisés, allait d'un réactor de laboratoire à solides fluidifiés, ayant un diamètre intérieur de 4", vers la partie supérieure de ladite chambre. Huit sorties de décharge s'éten- dant latéralement étaient réparties sur un côté de la chambre et pénétraient dans celle-ci. Ces sorties avaient un diamètre intérieur de 3/8" et pénétraient latéralement'dans la chambre sur une distance de 1".
Les huit sorties étaient disposées par paires à quatre niveaux différents, dont le premier se trouvait à 2" au-dessus du fond de la chambre, et dont les autres se trouvaient plus haut, à des intervalles de 10"; Huit entrées d'air moteur pour la mise en mouve- ment des solides étaient prévues par paires sur lesdits quatre niveaux, de sor- te qu'une entrée de gaz correspondait à chaque sortie de solides et qu'il exis- tait, entre chaque sortie et son entrée de gaz correspondante, un chemin de moindre résistance à travers les solides, suivant lequel le gaz amené par l'entrée traversait les solides pour s'échapper par la sortie de solides cor- respondante. Chaque entrée de gaz était munie d'une valve d'écoulement cri- tique pour contrôler le flux de gaz moteur.
Il a été fait usage d'un tube transporteur de solides, qui a un dia- mètre intérieur de 1 1/2". Sur une longueur de 4', ce conduit présentait une section rectangulaire de 1/2 " x 3", Ce tronçon de 4' de longueur était fixé extérieurement à la chambre de réception des solides, du même côté que les sor- ties de décharge des solides, ledit tronçon étant commun à toutes les sorties, de façon à réaliser une décharge accrue de solides.
Après la longueur de la chambre de réception des solides, le con- duit reprenait sa forme originale et passait, sur une distance de 9', à tra- vers un échangeur de chaleur pourvu d'une chemise à circulation de fluide , d'un diamètre intérieur de 2", après quoi le conduit pénétrait dans l'espace libre du réactor à solides fluidifiés.
Du concentré de zinc dont les particules avaient un diamètre moyen de 67 microns, a été introduit dans le réactor et a été chauffé dans des con- ditions de fluidification. Des solides étaient déchargés dans la chambre de réception des matières solides par le conduit d'alimentation, en remplissant ainsi ladite chambre avec une masse compacte de solides. On a fait circuler de l'eau de refroidissement dans la chemise de l'échangeur de chaleur.
Un courant montant de gaz transporteur de solides a été amené au conduit transporteur de solides. Ce gaz était amené à une vitesse de 8,5 CFM (à 20 C et une pression de 1 atmosphère) et atteignait une vitesse ascensionnel- le d'environ 14 pieds par seconde dans le conduit exempt de matières solides.
Du gaz moteur pour la mise en mouvement des matières solides était amené à chaque entrée de gaz à une vitesse d'approximativement 0,06 CFM (à 20 C et une pression de 1 atmosphère) et passait par chaque sortie de solides à une vitesse linéaire d'environ 0,75 pied par seconde, cette dernière vitesse étant celle du gaz passant à travers les sorties de décharge lorsqu'il n'y a pas de solides dans celles-ci.
Dans ces conditions, on a atteint une concentration de solides de 12 livres par pied cube (environ 192 g par dm3) dans le conduit transporteur de solides. En outre, l'écoulement de solides était uniforme dans le conduit et l'on n'a pas constaté de ralentissement, ni d'écoulement intermittent.
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on a fait circuler les solides continuellement en circuit ferme, du lit fluidifié du réactor à travers un échangeur extérieur de chaleur poûr retourner ensuite dans le réactor, et l'on a atteint dans le conduit transpor- teur de solides une concentration de solides sensiblement plus grande que cel- le qui pouvait être atteinte précédemment.
Exemple IV.
Dans un essai pratique, l'invention a été appliquée pour récupérer la chaleur sensible de sable chaud.
L'appareil employé comprenait une chambre d'échange thermique com- portant un conduit intérieur pour le transport de solides ou élévateur ayant un diamètre intérieur de 2" et une longueur totale de 9 pieds. Autour de cet élévateur était prévue une chemise construite de façon à ménager un espace entre les parois de l'élévateur et les parois de la chemise. Une admission était prévue au bas de la chemise, tandis qu'une sortie d'eau était prévue à l'extré- mité supérieure de celle-ci,
Une chambre de stabilisation était agencée directement au-dessus de la chambre d'échange thermique et était raccordée à celle-ci, de telle fa- çon que l'élévateur à travers la chambre d'échange thermique et la chambre de stabilisation était un conduit pratiquement continu.
A l'intérieur de la cham- bre de stabilisation, l'élévateur avait également un diamètre de 2 pouces, tandis que sa longueur y était de 2 1/2 pieds. Une couche d'isolant entourait l'élévateur et la chambre de stabilisation, de façon à rendre la chambre pra- tiquement isothermique, de sorte qu'il ne s'y produisait pratiquement pas de transfert de chaleur. Une sortie était prévue à l'extrémité supérieure de la chambre de stabilisation pour permettre la décharge des gaz et solides refroi- dis.
Comme matière solide, on a employé du sable dont les particules a- vaient une grandeur moyenne passant par le tamis de 35 mailles (système Tyler), mais restant sur le tamis de 325 mailles (système Tyler). Ce sable a été chauf- fé et ensuite mis en suspension dans un courant ascensionnel de gaz porteur pour former une suspension gaz-solides ayant une température d'environ 824 Fahrenheit. Cette suspension a été amenée dans l'échangeur de chaleur à une vitesse telle que 928 livres de matières solides étaient introduites dans la chambre d'échange thermique, avec 37,2 livres d'air par heure. De l'eau était introduite dans la chemise d'eau à raison de 774 livres par heure, la même quantité d'eau étant évacuée de celle-ci.
L'eau avait une température d'entrée de 104 F et une température de sortie de 185.9 F.
Après que l'équilibre eut été atteint, des solides étaient déchar- gés de la chambre de stabilisation à raison de 928 livres par heure, à une tem- pérature de 545 F.
Dans ces conditions,la chaleur a été extraite de la suspension gaz- solides, par l'eau, à raison de 63.100 BTU par heure (British Thermal Unit BTU = 252 petites calories.)
En cours d'opération, la concentration réelle de solides dans l'é- lévateur vertical a été mesurée et l'on a constaté qu'elle était de 4,71 livres de matières solides par pied cube de suspension gaz-solides dans l'élévateur.
Il convient de noter la différence sensible avec une concentration d'environ 1,7 livres par pied cube de suspension, à laquelle on devait normalement s'at- tendre dans l'élévateur lorsqu'on travaille dans les conditions spécifiées, Après avoir atteint l'équilibre, le fonctionnement de l'échangeur de chaleur était uniforme. Les solides ont été déchargés de la chambre de stabilisation à une vitesse uniforme et pratiquement égale à la vitesse à laquelle ils ' étaient amenés dans la chambre d'échange thermique.
En outre, la température des solides déchargés restait uniforme, de sorte qu'ils pouvaient être direc- tement employés comme moyen de contrôle de la température en les ramenant dans un réactor à solides fluidifiés, de façon à diminuer la température dans celui- ci et à maintenir ainsi la température du réactor dans les limites voulues
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METHOD AND APPARATUS FOR HANDLING PULVERULENT MATERIALS.
The present invention relates generally to the handling of finely divided solids and especially to the art of the controlled flow of such solids from a high level to a lower level. The invention relates more especially to methods and means for producing the controlled flow of such solids for effecting the supply or discharge of vessels of any kind, such as closed reaction vessels or vessels. , storage tanks, solids conveying pipes, and the like.
In the handling of finely divided solids, one often seeks to use the tendency of these materials to flow by gravity from a high level to a lower level. In such cases it is common to effect the flow of these solids downwardly through a generally vertical tube, by controlling the flow rate by the use of mechanical means imposing a restriction on the flow. flow, such as gate valves, cone valves, screw conveyors and the like, mounted in or attached to the tube.
Although these known devices can be successfully applied to control the flow rate of solids, they are, however, less popular for various reasons, among which may be mentioned the high costs of installation and operation, In addition, these devices clog easily and are only difficult to access for cleaning, moreover, since these devices are of mechanical construction and include moving parts, they are subject to severe erosion, especially when 'they are used for handling hot solids, and therefore require frequent repairs and replacements,
another disadvantage of these known devices lies in their lack of safety. to avoid undesirable gas leaks through the tube and they are therefore not satisfactory for the supply of finely divided solids into, or their discharge from, containers
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firm or pressurized. In addition, these known devices do not include means for minimizing the losses of dust during the operations of transporting solid materials.
Further, when it is desired to effect the flow of solids from a single supply, separately to several receptacles or to a single receptacle, at several different points thereof, the methods and means previously applied require the provision of a separate flow control member for each container or each separate point in which it is desired to produce the flow of said solids, so that known devices find only limited applications.
It is an object of the invention to provide inexpensive and safe methods and means for achieving the controlled flow of finely divided solids through a generally vertical tube from a high level to a lower level, using the trend that 'have such solids to flow by gravity between these two levels. these methods and means will be of simple design and operation, will not include moving parts and will nevertheless provide devices for controlling the flow of solids, which will have a long service life, even if they are used to control the flow of hot solids.
Another object of the invention is the provision of methods and means for achieving the controlled flow of finely divided solids through a generally vertical tube, into or out of the space bounded by containers, while minimizing gas leakage. through this tube to or out of these containers.
Still another object of the invention is the provision of methods and means for achieving the controlled flow of finely divided solids, from a single supply of these materials, separately into different containers or in a single container, at different points of the latter, without requiring the use of a separate flow control device for each receptacle or each of said points, and without requiring the use of flow control devices for this purpose, arranged on the outside Gu container containing the solids.
The invention is based on the basic idea that when a mass of finely divided solids extending in height comes to rest on a solid support surface, the solids are formed. will normally rest on this surface forming a natural slope at rest, provided that the support surface is large enough to contain the angle of landslide or natural angle of rest, while if the angle of rest of the slope is Sufficiently disturbed by a flow of moving gas, called motive gas, the solids at rest will be loosened and flow by gravity over the edge of the solids support surface.
Under these conditions, the rate at which these solids flow from the support surface is controlled by adjusting the amount of driving gas used to disturb the natural angle of repose of said materials.
In general, the present invention proposes to use the tendency to flow by gravity that finely divided solids have, to achieve the controlled flow of such materials from a single feed thereof, and it advocates to accomplish this by forming a mass of such solids, extending vertically and provided with a laterally directed discharge outlet, a supporting surface of such solids extending from this outlet into the mass of solids, said support surface having an area sufficient to contain the angle of the natural slope of the solids when normally at rest on said surface.
a flow of motive gas or of setting in motion of solid matter is projected through the mass of solids, so as to escape by the outlet directed laterally, the volume of this flow of gas which escapes being such as its speed through the outlet is sufficient to stir the ma-
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solids at rest and deflect them through the outlet so as to flow therefrom, and the rate of flow of the solids from the outlet is controlled by controlling the amount of sprayed gas which flows therefrom. escapes through the exit.
An important feature of the invention lies in the fact that the mass of solids from which the stream of solids originates is a compact mass of solids resting more or less statically in its receptacle and must be distinguished from a fluidized mass of materials so - lides, as will be described below. Another peculiarity is that the stream of solids-moving gas, which is thrown through the solids, has a very low mass velocity, the energy of which may be just sufficient to shake the solids in motion. rest and force them to flow out of the outlet at the desired speed.
Still another feature of the invention resides in the provision of a heat exchanger apparatus for uniformly and efficiently utilizing the sensible heat of finely divided solid particles suspended in the gas. this heat exchanger is suitable for the treatment of suspended solids from any suitable source, but is particularly suitable for the treatment of suspended solids at high concentration.
It is known to pass hot solid particles in suspension, from bottom to top, through generally vertical heat exchanger tubes and thus recover their sensible heat. The concentrations of solids which may be admitted in these known devices are however, limited to a low value if it is necessary to maintain a uniform speed of passage of the solids through the exchanger, this is due to the disturbance of the equilibrium of the gas-solids suspension entering the apparatus, which results from the cooling of gases and solids taking place in the apparatus and causing internal recirculation or back-mixing of solids in the heat exchanger itself.
This internal recirculation of the solids obviously has the effect of:
1) to momentarily decrease the speed at which the solids are discharged from the exchanger, to a speed lower than that at which the solids are initially brought into the apparatus, this is due to the fact that some solids are retained in 1 the exchanger for the recirculation therein;
2) abnormally increase the solids concentration in the heat exchanger during the period of reduced discharge rates;
3) then increasing the solids discharge to a rate corresponding to the abnormally increased solids concentration;
and since the rate of discharge of solids at abnormally high concentrations is much greater than the initial rate of supply of solids, the concentration of solids within the heat exchanger decreases from a value abnormally high to a lower value.
The end result of this phenomenon is a cyclical rate of passage of the solids through the exchanger, which varies from a rate slower than the initial feed rate to a rate considerably greater than this. The cyclic rate of passage of solids causes fluctuations in the heat exchange operation. Further, a cyclically operating heat exchanger cannot be used as a safe source of cooled solids for use for recirculation as a means of temperature control.
The cyclic disturbance described above becomes more and more troublesome as the size of the solid particles in the feed suspension decreases and / or the concentration of solids in the feed is increased, which constitutes a serious problem. disadvantage since it is always desirable to maintain high concentrations
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fine solid particles inside the heat exchange chamber, in order to increase the efficiency of the heat transfer process.
It has now been discovered that this cyclic disturbance can be avoided inside a vertical heat exchange chamber, so that it is possible to remove cooled solids from the heat exchange system, at a uniform speed which is substantially equal to the speed at which these solids are initially supplied to the heat exchange chamber, in particular by providing a stabilization zone of substantially uniform temperature which is located directly above- the thermal chamber and which communicates with it, In this way, a damping effect is exerted on the suspension in the heat exchange chamber, thanks to the fact that, in the stabilization zone, the gas velocities stabilize obviously and the internal recirculation of solids decreases,
with the result that the abnormally high solids concentration decreases to a lower value such that the rate at which the solids are discharged from the stabilization zone stabilizes at a rate substantially equal to the rate at which these solids initially enter the heat exchange chamber. As a result, the operation of the heat exchanger becomes, as a whole, more efficient and uniform, since the rate of passage of the solids is kept substantially uniform and the amount of heat recovered per unit. This time will be uniform and can be predetermined for any given rate of solids feed into the heat exchanger.
In addition, high concentrations of fine solid particles can be maintained constantly in the heat exchanger, thereby increasing the efficiency of the total heat transfer,
In accordance with this particularity of the invention, the stabilization zone located above the heat exchanger proper is an isothermal vertical zone, where there is no longer a temperature gradient from the wall to the center and in whereby the internal recirculation effects gradually decrease as the concentration decreases to a density which is in equilibrium with the initial solids feed rate,
By way of illustration, certain embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
Since Fig. 3 shows an embodiment comprising a reactor or reaction vessel of fluidized solids, it will be useful to briefly describe the nature and operation of reactors of this type used to carry out operations of fluidization of solids. .
In the solids fluidization technique for the treatment of finely divided solids, a bed of these solids is generally maintained in the state of a homogeneous and dense suspension, being in motion, behaving like a liquid. turbulent and with a fluid level. This is achieved by causing an upward stream of gas to pass through the bed at a rate sufficient to considerably increase the height of the bed and to maintain its particles in turbulent suspension in the upward stream of gas, but still at an insufficient rate. so that the gases can entrain an appreciable quantity of solid particles and thus remove them from the reactor.
Under such conditions the bed is called a fluidized bed. The fluid level of this fluidized bed is maintained by the use of a solids discharge device, so that as more solid particles are introduced into it. the bed, the resulting increase in bed height results in the discharge of other particles from that bed.
Thanks to the turbulence of the fluidized beds, the heat exchange by and between the particles forming these beds is almost instantaneous, so that if two loads of particles having different temperatures are mixed in a fluidized bed, the resulting mixture will almost instantly take an intermediate temperature between the temperatures of the two said loads.
In addition, this rapid heat exchange creates a temperature
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practically uniform throughout the extent of the bed,
In the accompanying drawings: FIG. 1 illustrates the details of the basic idea of the invention; Fig. 2 shows the details of a variant of the invention;
Fig. 3 shows an embodiment of the invention in combination with a reactor for fluidized solids, cooperating with an external dust removal installation, as well as an external device for charging the heat exchanger, and FIG. 4 shows a vertically arranged heat exchanger especially suitable for receiving and efficiently utilizing high concentrations of solid particles entrained by gas. Fig. 1 illustrates the basic idea of the present invention. This figure shows part of a chamber 437 containing solids. An outlet 438 supporting solids and extending laterally is provided to support solids and to guide them to flow through the outlet 430 when suitable conditions exist in the chamber.
In Fig. 1, the outlet 438 is a duct of generally cylindrical shape. Finely divided solids introduced into chamber 437 form therein a dense mass of solid particles 440. Under normal conditions - that is, without motive or moving gas. flows through outlet 438 - the solid particles of mass 440 rest on the lower surface of outlet 438 following a natural slope at rest. When, however, motive gas is conducted through the mass of solids to escape through the free opening 430 of the outlet 438, said bank at rest is destroyed and the solids are dislodged so that they flow through. the exit.
Fig. 1 shows solids flowing from the outlet and the passage of motive gas through the mass of solids is indicated by arrows. Outlet 438 should be of sufficient length to be shaped such that it will contain the natural resting slope which the mass of solids will form when motive gas is not passed through this mass. Fig. 2 shows the details of a discharge device such as 35 or 135 of FIG. 3. In Fi ;, 2, a column or vertical pipe 537 is provided to receive finely divided solids, through its upper end 547, a solids-supporting tubing 538, which extends laterally. and has an open end 530, is attached to the lower end of pipe 537.
A conduit 539, provided with a valve 539a, enters the pipe 537 at an intermediate level located a substantial distance above the open end 530. When solids are introduced into the vertical pipe 537 through its end opened 547, they form therein a dense column of solids 540.
As this column of solids builds up, it forms a primary column of PC solids of substantially constant height and extending from the bottom of tubing 538 to a level in the region where conduit 539 enters. in pipe 537. This constant height primary column pc forms a permanent gas seal to prevent unwanted gas leakage through pipe 537. The upper level of the primary column PC will usually be a little higher. above the level of duct 539 and in no case will the upper level of the primary column PC be below the level of duct 539.
Assuming that the driving gas is supplied at a speed determined by the duct 539, the solids entering the pipe 537 will form, after having first formed the primary column at constant height pC, a secondary column SC of variable height s 'extending above the point of gas entry. When the secondary column SC reaches a height sufficient to offer the upward flow of the driving gas a greater resistance than that offered by the primary column pc to the downward flow of the driving gas, part of the gas will be deflected down from its
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entry point and will descend through pipe 537 to escape through the open end 530 of tubing 538.
On exiting through this open end 530, this gas destroys the normal angle of the solids slope at rest, thereby dislodging the solids and causing them to flow through the open end 530.
The rate at which solids flow from the open aperture 530 depends on the amount of driving gas deflected downward through pipe 537, and the amount of gas so deflected is, in turn, dependent on the height. of the secondary column SC. The height of the secondary column varies according to the rate of introduction of solids into pipe 537. Thus, as the rate of supply of solids increases, both the height of the secondary column SC and the amount of gas diverted down through the vertical pipe augnent, which results in an increase in the rate of solids discharge through opening 530.
In this embodiment of the invention, therefore, the rate at which solids are discharged from opening 530 is controlled by adjusting the rate at which solids are fed into pipe 537. In the case of where the supply of solids is stopped the discharge of solids through opening 530 will continue at a reduced rate until the secondary column SC has descended to form the primary column PC.
At this point, all the driving gas supplied will flow upward through the vertical pipe and the PC primary column will remain stationary in the vertical pipe and rest in the solids support manifold 538, thus ensuring a seal against gases inside said pipe, although the flow of solids therefrom has ceased,
In Fig. 2, the total quantity of driving gas supplied is represented by four arrows and it is found that the secondary column SC has a sufficient height so that approximately half of this total quantity of gas is deflected downwards through the vertical pipe .
In Fig. 3, the reactor or reaction vessel R comprises a cylindrical body 11 provided with a metallic outer wall 12 and a coating 13 of refractory material. The reactor comprises a cover 14 and a conical bottom 15 which is provided with a shutter 16 allowing cleaning, a contraction plate 17 provided with openings 18 is arranged in the bottom of the reactor and extends over the entire cross section of the reactor. the latter, said plate being intended to support a fluidized bed of solids 19, above which there is a free space 20. through the conduit 23 which is provided with a valve 23a, fuel can be supplied directly to the fluidized bed 19.
Fluidizing air is introduced under the plate 17 through the pipe 22 provided with a valve 22a. If necessary, fuel for the start-up can be supplied through the pipe 24 provided with a valve 24a. , to be burned in a burner not shown in the drawing. The exhaust gases leave the reactor through line 25 which is provided with a valve 25a. Solids from feed device 35 are introduced into the reactor through feed line 30.
The feed device 35 comprises a loading hopper 36 into which the solids are introduced as indicated by the arrow. A generally vertical pipe 37 is attached to the bottom of the hopper 36, which pipe terminates in a laterally extending, solids-bearing portion 38 which connects the pipe 37 to the supply pipe 30. The latter can enter the bed. 19, as shown in the drawing, or it can stop in the free space 20, so that the solids supplied fall through this free space into the bed 19. Motive gas is supplied in the pipe 37 via line 39 which is provided with a valve 39a
The gases leaving the reactor through line 25 enter the dust collector 45, where the entrained solids are separated from the gases.
The dust free gases leave the apparatus 45 through line 46, while the separated solids are discharged through outlet 47 to discharge device 135. This comprises a vertical pipe 137 which terminates in a portion 138. laterally extending and supporting the solids, which connects the pipe 137 to the discharge pipe 130. Motive gas is supplied to the pipe 137 through the pipe 139 and the amount of gas is regulated by the valve 139a.
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The solids discharged from the dust collector 45 fall through outlet 47 into pipe 137 where they form a dense column of solids 140 which is supported by side section 138 and normally forms an idle slope in that section. When the height of this column exceeds the gas inlet 139, this column will exert pressure on the supplied gas, reducing the flow of this gas upwards and deflecting a part of it downwards through the pipe 137 to exit through the lateral section 138; on leaving this, the gas destroys the standing solids slope in this section and causes the solids to flow into the discharge pipe 130.
When the discharge of solids from the apparatus 45 ceases, while the supply of gas through the conduit 139 continues, the flow of solids through the side section 138 will continue at reduced speed to stop when the top of the Column 140 has reached a level such that the column no longer exerts sufficient pressure to deflect motive gas downward into the vertical pipe. Under normal conditions, when the flow of solids has ceased, the top level of column 140 will be slightly above gas inlet 139, and in no case will the top level of column 140 drop. below the point where the gas supply duct 139 enters the pipe 137.
When solids are removed from the dust collector 45 and a sufficient column of solids 140 has been formed to initiate the flow of solids from section 138, the solids flow rate of that section 138 will correspond to the velocity at which solids are discharged from outlet 47 into pipe 137, and any change in the rate at which solids enter that pipe 137 will automatically cause a corresponding change in the rate at which solids are discharged from the pipe 137. section 138.
The presence of a column of solids in the vertical pipe 137 prevents the escape of gases from the dust collector 45 downwards into the pipe 137, and even when no solids flow occurs from the section 138. , the residual column of solids remaining in pipe 137 will always provide a gas tight seal.
Solids can be discharged from the fluidized bed 19 through the discharge conduit 247 and the discharge device 235. The latter comprises a vertical pipe 237 at the lower end of which is attached a section of tube 238 extending. laterally and connecting the pipe 237 to a final discharge duct 230. an engine gas inlet 239, provided with a valve 239a, enters the discharge device at a level substantially corresponding to that of the tube section 238.
The provision of gas inlet 239 at this location allows positive manual control of the rate at which solids flow from tube 238.
In fact, the solids fall from the bed 19 into the duct 247 and then into the vertical pipe 237, where they form a dense column of solids 240 which normally bears in the section 238 following a slope at rest.
When it is desired to cause a flow of solids from section 238, gas is introduced therein through conduit 239; and the rate at which the solids flow from section 238 is controlled by adjusting the amount of engine gas supplied thereto.
When it is desired to remove solids from the fluidized bed 19 with a view to transporting them by a stream of carrier gas to a heat exchanger or other processing apparatus, these solids are removed and then introduced into the conveyor system by the device shown in the part of the drawing shown on a larger scale and surrounded by a circle, which is denoted as a whole by 335.
This device comprises a discharge duct 347 extending from the fluidized bed 19 to a vertical chamber 337. the latter is provided with several laterally extending outlets 342, 343, 344 and 345 which communicate with a solids conveying duct 350 which extends over the entire height of chamber 337 and is arranged to form a solids receiving duct, which is common to all outlets 342, 343, 344 and 345. An upward stream of carrier gas is admitted into the outlet. the conduit 350 and its speed is regulated by the valve 351,
Motive gas is brought into chamber 337 through line 339 and this line acts as a gas distributor to supply gas to different points in chamber 337, each of these points corresponding to one of the outlets. These points are located practically at the same levels as the
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exits. The drawing shows a main control valve 339a, as well as a series of independent control valves 339b, which allow both simultaneous control and independent control of the solids flow rate from each of the outlets. The solids to be discharged pass from bed 19 through conduit 347 into chamber 337 and therein form a dense mass of solids 340.
This mass is normally supported along the banks at rest in the various exits. When it is desired to cause a flow of solids, this is initiated by admitting motive gas through gas distributor 339 and the rate at which solids are discharged into conduit 350 to be entrained by the gas stream. Carrier gas flowing therethrough is controlled by adjusting the rate at which the motive gas is fed into chamber 337 through conduit 339. This device ensures an increased addition of solids to the solids carrier gas stream and makes it possible to achieve much greater concentrations of solids in such gas streams than is achievable by other methods of adding solids to such gas streams.
When employing any of the illustrated devices to discharge solids from pressure vessels, there may be cases where it is not possible to prevent gas from leaking from the vessel downward through the column of solids. In such a case it may be necessary to provide a gas exhaust pipe, fitted with a valve and located some distance above the point of gas entry. such a hose would remove unwanted leakage or trapped gases and thus prevent them from initiating the flow of solids when the supply of motive gas ceases.
Another construction detail not shown in the drawings is the provision of a cleaning valve at the base of the vertical pipes to allow easy access for cleaning. The devices 35, 135, 235 and 335 of FIG. 3 are not equivalent, but are variations which are useful under different conditions.
Fig. 4 shows a heat exchanger E suitable for receiving high concentrations of solids in gases and using their sensible heat in a uniformly efficient manner. This apparatus can for example be rationally used in combination with the device 335 of FIG. 3 or with any other solids conveying device. When connected to device 335, solids conveying conduit 350 may be an extension of conduit 350 of FIG. 3, while a discharge duct such as 64 can be used to open directly into the hopper 36 of FIG. 3 or even directly into the duct 37 of FIG. 3, at a point above the entry point of the duct 39.
In such an assembly, the heat exchanger E is equipped to cool hot solids which are discharged from the reactor R of FIG. 3 and to return to the reactor a desired portion of cooled solids, in order to control the temperature.
The heat exchanger mainly comprises zone A which forms the heat exchange zone proper, and zone B which is the stabilization zone of the suspension of solids and in which the concentration of suspended solids decreases by so that the rate at which solids are discharged from zone B is in equilibrium with the rate at which solids are introduced into zone A.
Zone A comprises an outer jacket in which circulates a coolant 51 which surrounds a solids conveying duct 52 for the purpose of extracting heat from the solids passing through the pipe 52. A conical portion 74 is provided at the base of the solids. zone A and has, at its lower end, an internal diameter which is equal to the internal diameter of the duct 350.
Refrigerant is supplied to jacket 50 through line 53 and the feed rate is controlled by valve 54. Hot or vaporized refrigerant is discharged from jacket 50 through line 55 and is sent directly to a location of. treatment or storage, or is optionally recycled by the jacket 50. Thermocouples are provided at 56, 57 and 58 to check the temperatures of the gas-solid suspensions in the riser pipe 52.
Zone B, designated as a whole by the reference 60, comprises an outer casing 61 and an inner duct 52 for the transport of so-
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lides. An insulating layer 62 is provided between the outer wall 61 and the conveyor duct 52. The section 60 is provided with a cover 63 which is arranged at a certain distance above the outlet of the solids conveyor pipe 52.
The hot suspended solids rise in line 52 through zone A, where sensible heat is removed, and then through zone B, where the suspension of solids is stabilized and its solids concentration decreases, so that the solids are discharged from the upper end of conduit 52 and then flow or be blown through conduit 64 (provided with a valve at 65) and return to the reactor. If desired, cooled solids can be discharged from the system through line 66 which is provided with a valve 67.
In zone A of the heat exchanger an increase in the solids concentration of the suspension occurs. Theoretically, it can be assumed that this increase is due to the sudden cooling of the suspension of solids which occurs along the periphery of the conveyor duct 52 and that this cooling disrupts the equilibrium of the rising suspension of solids in the gas. , thus causing an internal retro circulation in the zone A of the duct 52, so that the concentration of solids in this zone increases considerably compared to that existing in the suspension entering the apparatus.
When this suspension of increased concentration rises in zone B, a stabilizing operation apparently occurs and, for one reason or another, the concentration of solids in the suspension gradually decreases to a point where there is practically a balance. - bre with the rate at which the solids are initially brought into zone A. This means that the concentration of solids in the slurry leaving the upper end of conduit 52 is such that the rate at which the solids are discharged from this is substantially equal to the speed at which the solids initially enter zone A through line 350.
The end result is then that although there is an increased concentration of solids in zone A, the solids are however discharged from the top of zone B at a uniform rate which is substantially equal to the rate at which the solids. are initially brought to zone A.
This uniform passage of solids allows the operator to tightly control the temperature in the reactor because he can recycle cold solids to it at a uniform rate. In addition, the heat extraction from the slurry rising through zone A is also uniform and therefore the heat is directly usable without the need for continual adjustments to bring it into. prescribed temperature limits.
The construction of the stabilization zone B should be such that there is sufficient space to allow the reduction of the solids concentration and to allow the rate of discharge of the solids to equilibrate with the rate at which the solids are. initially fed to zone A. This means that the construction of zone B, mainly along its length, will vary depending on the fineness of the solids treated, as well as the concentration of solids in the initial feed slurry. tial. It has, however, been found that as a general rule a stabilization zone having a length equal to three quarters of that of the heat exchange zone will function satisfactorily and will provide a high construction safety coefficient. .
Although a heat exchanger system has been described comprising a single solids conveying duct, it is understood that the invention is just as easily achievable with multiple ducts in the heat exchange chamber or in the heat exchange chamber. stabilization, or in both chambers.
Further, solids can be introduced into the heat exchanger E from any suitable source capable of charging a stream of gas carrying solids.
Example 1.
Laboratory tests were performed using a device
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similar to that illustrated in Fig. 2 or formed from assemblies 35 and 135 of Fig. 3, for handling finely divided limestone solids having an average diameter of 100 microns. A riser pipe with an inside diameter of 2 "(approximately 50.8 mm) was used. At the lower end of the pipe was attached a standard 2" elbow with reduction and a fitting having an inside diameter of 1/2 "and a length of 1 ", so as to form a riser pipe having an inner diameter of 2" and an outlet laterally offset at its lower end and having an inner diameter of 1/211. A gas inlet was provided at a distance. 9 "above the discharge opening.
The air intake was 0.045 CFM (cubic feet / minute: cubic feet per minute; 1 CFM = 28.315 dm3 / minute), the air being at 20 C and 1 atmosphere.
Fine limestone solids (average size 100 microns) were introduced into the upper end of the riser, in which a 9 "primary column was formed. Continuing the feed, a secondary column was formed and the solids began to flow through the lower discharge opening.
At a solids feed rate of 213.5 pounds (1 pound = 453.6 gr.) Per hour, a secondary column was formed with a height of 1.3 feet (1 foot = 30.48 cm) and the solids flowed from the discharge opening at a rate of 213.5 pounds per hour.
When the solids feed rate was increased to 480 pounds per hour, the secondary column reached a height of 2.15 feet and the solids discharge rate was 480 pounds per hour.
Further increasing the solids feed to 539 pounds per hour resulted in the formation of a secondary column 3.1 feet high and the solids discharge rate rose to 539 pounds per hour.
In all cases, the secondary column was established at a constant level when equilibrium was reached between the feed rate and the discharge rate. Variations in the feed rate caused an automatic adjustment of the height of the secondary column to a new equilibrium level.
Dust losses were reduced by the fact that the solids had the opportunity to settle through the dense column phase.
Example II.
Laboratory tests were carried out using a device similar to that illustrated by the assembly 235 of FIG. 3. A riser pipe was used having an inner diameter of 1 "and at the lower end of which was attached a T-fitting with an inner diameter of 1 1/4 µ, which extended laterally and exhibited a closed end into which penetrates a 1/4 "tube for the supply of engine gas. The open end of the T had a short 1 1/4 "sleeve.
Sand, the particles of which had an average size of between 40 and -20 Tyler screen mesh, was continuously discharged into the upper end of the riser pipe and the speed at which the sand s The flow of the free end of the T was controlled by adjusting the amount of gas supplied through the gas supply line. Air was used as the driving gas.
Working under the conditions indicated, the following results were obtained:
EMI10.1
<tb> Gas <SEP> engine <SEP> in <SEP> CFM <SEP> (feet <SEP> Speed <SEP> of flow <SEP> of
<tb>
<tb>
<tb> cubes <SEP> per <SEP> minute) <SEP> solids,
<tb>
<tb>
<tb> (Air <SEP> at <SEP> 20 C <SEP> and <SEP> 1 <SEP> atm), <SEP> in <SEP> pounds <SEP> per <SEP> minute.
<tb>
<tb>
<tb>
0 <SEP> 0
<tb>
<tb>
<tb> 0.6 <SEP> 2.1
<tb>
<tb>
<tb> 0.75 <SEP> 5.0
<tb>
<tb>
<tb> 0. <SEP> 90 <SEP> 9.3
<tb>
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EMI11.1
<tb> Gas <SEP> engine <SEP> in <SEP> CFM <SEP> (feet <SEP> Speed <SEP> of flow <SEP> of
<tb> cubes <SEP> per <SEP> minute) <SEP> solids,
<tb> (Air <SEP> at <SEP> 200 C <SEP> and <SEP> 1 <SEP> atm), <SEP> in <SEP> pounds <SEP> per <SEP> minute.
<tb>
<tb>
1.00 <SEP> 12.8
<tb> 1, the <SEP> 16.8
<tb> 1.25 <SEP> 26.4
<tb>
Example III.
In laboratory tests, a device similar to assembly 335 of FIG. 3,
In the apparatus used, the dimensions of the solids receiving chamber were 4 'x 3 "x 2 1/2". A conduit having an inner diameter of 1 1/211 for supplying the chamber with finely divided solids went from a fluidized solids laboratory reactor, having an inner diameter of 4 ", to the upper part of said chamber. Eight outlets of said chamber. Laterally extending discharge were distributed over one side of the chamber and entered the chamber. These outlets had an inside diameter of 3/8 "and entered laterally into the chamber a distance of 1".
The eight outlets were arranged in pairs at four different levels, the first of which was 2 "above the bottom of the chamber, and the others higher, at 10" intervals; Eight motor air inlets for moving the solids were provided in pairs on said four levels, so that a gas inlet corresponded to each solids outlet and that there was, between each outlet and its corresponding gas inlet, a path of least resistance through the solids, whereby gas supplied by the inlet passes through the solids to escape through the corresponding solids outlet. Each gas inlet was provided with a critical flow valve to control the flow of engine gas.
Use was made of a solids conveying tube, which had an inside diameter of 1 1/2 ". Over a length of 4 ', this conduit had a rectangular section of 1/2" x 3 ". 4 'long section was attached externally to the solids receiving chamber, on the same side as the solids discharge outlets, said section being common to all outlets, so as to achieve increased solids discharge.
After the length of the solids receiving chamber, the duct returned to its original shape and passed, over a distance of 9 ', through a heat exchanger provided with a fluid circulation jacket, a 2 "internal diameter, after which the conduit entered the headspace of the fluidised solids reactor.
Zinc concentrate, the particles of which had an average diameter of 67 microns, was introduced into the reactor and was heated under fluidizing conditions. Solids were discharged into the solids receiving chamber through the feed conduit, thereby filling said chamber with a compact mass of solids. Cooling water was circulated through the heat exchanger jacket.
A rising stream of solids carrier gas was supplied to the solids carrier line. This gas was fed at a rate of 8.5 CFM (at 20 ° C. and a pressure of 1 atmosphere) and reached an upward rate of about 14 feet per second in the solids-free conduit.
Motive gas for moving the solids was fed to each gas inlet at a rate of approximately 0.06 CFM (at 20 C and a pressure of 1 atmosphere) and passed through each solids outlet at a linear rate. of about 0.75 feet per second, the latter velocity being that of the gas passing through the discharge outlets when there are no solids in them.
Under these conditions, a solids concentration of 12 pounds per cubic foot (about 192 g per dm3) was achieved in the solids carrier line. In addition, the flow of solids was uniform in the conduit and there was no slowing down or intermittent flow.
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the solids were circulated continuously in a closed circuit, from the fluidized bed of the reactor through an external heat exchanger to then return to the reactor, and a substantially higher solids concentration was reached in the solids conveying duct. greater than that which could be achieved previously.
Example IV.
In a practical test, the invention was applied to recover sensible heat from hot sand.
The apparatus employed consisted of a heat exchange chamber comprising an internal duct for the transport of solids or an elevator having an internal diameter of 2 "and a total length of 9 feet. Around this elevator was provided a suitably constructed jacket. to leave a space between the walls of the elevator and the walls of the jacket. An inlet was provided at the bottom of the jacket, while a water outlet was provided at the upper end of the latter,
A stabilization chamber was arranged directly above the heat exchange chamber and was connected to it, such that the elevator through the heat exchange chamber and the stabilization chamber was a conduit. practically continuous.
Inside the stabilization chamber, the elevator was also 2 inches in diameter, while its length therein was 2 1/2 feet. An insulation layer surrounded the elevator and the stabilization chamber, so as to make the chamber virtually isothermal, so that there was virtually no heat transfer. An outlet was provided at the upper end of the stabilization chamber to allow discharge of the cooled gases and solids.
As the solid material, sand was employed the particles of which were of an average size passing through the 35 mesh screen (Tyler system), but remaining on the 325 mesh screen (Tyler system). This sand was heated and then suspended in an upward stream of carrier gas to form a gas-solid suspension having a temperature of about 824 Fahrenheit. This slurry was passed through the heat exchanger at a rate such that 928 pounds of solids was introduced into the heat exchange chamber, with 37.2 pounds of air per hour. Water was introduced into the water jacket at the rate of 774 pounds per hour with the same amount of water being drained therefrom.
The water had an inlet temperature of 104 F and an outlet temperature of 185.9 F.
After equilibrium was reached, solids were discharged from the stabilization chamber at the rate of 928 pounds per hour, at a temperature of 545 F.
Under these conditions, heat was extracted from the gas-solid suspension, by water, at the rate of 63,100 BTU per hour (British Thermal Unit BTU = 252 small calories.)
During operation, the actual solids concentration in the vertical elevator was measured and found to be 4.71 pounds of solids per cubic foot of gas-solid suspension in the elevator.
It should be noted the substantial difference with a concentration of about 1.7 pounds per cubic foot of suspension, which one would normally expect in the elevator when working under the specified conditions, after reaching l balance, the operation of the heat exchanger was uniform. The solids were discharged from the stabilization chamber at a uniform rate and substantially equal to the rate at which they were fed into the heat exchange chamber.
Further, the temperature of the discharged solids remained uniform, so that they could be directly employed as a means of temperature control by returning them to a fluidized solids reactor, so as to decrease the temperature therein and thus maintain the temperature of the reactor within the desired limits