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METHODE ET APPAREIL POUR L'ACTIONNEMENT D'UN ELEVATEUR PNEUMATIQUE UTILISE POUR TRANSPORTER DES MATIERES SOLIDES GRANULAIRES.
La présente invention concerne l'actionnement d'un élévateur pneu- matique pour amener de la matière de contact granulaire d'un endroit déter- miné à un endroit plus élevé. Elle concerne spécialement un appareil et une méthode pour actionner un tel élévateur dans les procédés continus de transformation d'hydrocarbures, dans lesquels de la matière de contact gra- nulaire est déplacée en cycle fermé à travers des zones de conversion et de régénération.
L'invention est applicable à des procédés tels que le cracking catalytique, 1'isomérisations l'hydrogénation, la déshydrogénation, le "re- forming" (traitement pour modifier les propriétés), l'"hydroforming" (traite- ment à l'hydrogène pour modifier les propriétés), l'aromatisation, l'alcoy- lation, la cyclisation, le traitement et la désulfurisation de fractions:de pétrole. L'invention peut également être appliquée à la cokéfaction d'hy- drocarbures en présence de coke ou matières réfractaires solides granulai- res, la réduction de la viscosité de résidus de pétrole à des températures élevées, les procédés de transformation pyrolytique, tels que la conversion du propane et de l'éthane en hydrocarbures non-saturés et la conversion de méthane en acétylène.
Les propriétés de la matière de contact en question peuvent varier dans de larges limites selon son usage. Pour des systèmes de traitement ca- talytique d'hydrocarbures, le catalyseur peut être constitué par des argi- les naturelles ou traitées, des bauxites, des véhicules inertes ou actifs imprégnés de certains métaux à activité catalytique ou composés de ceux-ci, ou des associations synthétiques de silice, d'alumine, de magnésie, de chro- me, d'oxyde de molybdène, etc...., ou des combinaisons de ceux-ci, auxquelles peuvent être ajoutées de faibles quantités d'autres composés, habituellement des composés métalliques, pour des applications spécifiques.
Lorsque la substance de contact est employée principalement aux fins de transport de chaleur, tel que dans les procédés de conversion pyrolytique, elle peut se présenter sous la forme de l'une quelconque d'une série de matières réfrac-
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taires, telles que de l'alumine fondue, mullite, carborundum, oxyde de zir- conium, carbone, et(-',,..; pour les procédés de cokéfaction,la matière so- lido peut être formée par un catalyseur à faible activité à base d'argile, par du coke de pétrole, de la pierre ponce ou des matières similaires. La matière de contact peut se présenter sous la forme de pastilles, de sphères, de tablettes ou de particules palpables de forme irrégulière, à la différen- ce de matières en poudre.
Il est à noter que le terme "granulaire" est em- ployé ici dans un sens large et couvre n'importe laquelle des formes men- tionnées ci-dessus de la matière de contact. Les calibres des particules le la matière de contact selon la présente invention peuvent s'échelonner entre environ 0,005 et 0,5 pouce) (0,127 et 12,7 mm.) et, de préférence entre 4 et 20 mailles de la série Tyler ("Tyler Standard Screen Analysis"). La den- sité de la matière, lorsqu'elle est versée dans un vase de mesure, peut être comprise$ entre environ 20 et 130 livres par pied cube.
Dans les systèmes continus de cracking catalytique, on fait pas- ser la matière de contact en cycle à travers une zone de conversion dans la- quelle elle est mise en.contact avec une alimentation d'hydrocarbure, à des pressions dépassant habituellement la pression atmosphérique et à des tempé- ratures de l'ordre de 700 - 1100 F, de façon à provoquer la transformation de ladite alimentation, et ensuite à travers une zone de.régénération dans la- quelle un dépôt carboné formé sur le catalyseur -dans la zone de conversion et contaminant celui-ci est enlevé par combustion.
Lorsqu'il est fait usage de catalyseurs granulaires, il a été constaté qu'il est hautement désirable de maintenir le catalyseur sous la forme d'un lit ou d'une colonne pratique- ment compacte de particules se déplaçant par gravité dans les zones de con- version et de régénération. Jusque dans les derniers temps, on a fâit exclu- sivement usage d'élévateurs continus à godets pour transporter le catalyseur entre les diverses zones dans les installations industrielles. Il a été cons- taté que des élévateurs mécaniques imposent certaines limites pratiques quant à la hauteur totale de l'installation et: la quantité de catalyseur mise En circulation.
Par conséquent, toutes les installations industrielles connues de cracking catalytique du type à lit compact mobile impliquaient l'agence- ment côte à cote du réactor ou vase de réaction et du four, de sorte qu'el- les exigeaient deux élévateurs et impliquaient des débits relativement fai- bles de catalyseur en circulation. Il a été trouvédésirable d'augmenter les débits de catalyseur en circulation en vue de permettre la simplifica- tion d'autres parties du système, spécialement le four, et d'agencer le réactor et le four verticalement en série, de façon 'à n'exiger qu'une seule opération de transport du catalyseur par cycle.
Cela était pratiquement irréalisable avec les dispositifs de transport mécaniques connus, Il a de temps en temps été proposé d'effectuer le transport du catalyseur par des élévateurs pneumatiques, mais l'application du transport pneumatique.- dans ces systèmes de conversion cycliques a été empêchée à cause de l'at- trition et la brisure très importantes du catalyseur, qui se produisaient au cours de l'opération de transport pneumatique, et aussi à cause de la consommation d'énergie exagérée.
On a récemment établi des élévateurs pneumatiques qui permettent un transport pneumatique pratique de la matière de -contact granulaire dans ces systèmes de conversion cycliques, en partie grâce au contrôle délicat des vitesses de gaz en différents points le long de l'élévateura Ces élévateurs impliquent essentiellement l'emploi d'un conduit élévateur-vertical continu, ouvert à ses deux extrémités, et dont les extrémités pénètrent dans des zones d'alimentation et de réception et s'arrêtent entre le sommet et la base de chaque zone. La matière de contact est amenée par gravité dans la zone d'alimentation à la base de l'élévateur, sous la forme d'une masse sensiblement compacte, et se déplace vers le bas autour de l'extrémité inférieure du conduit élévateur.
Dans une forme pré- férée de réalisation de l'élévateur à gaz, un gaz transporteur pneumatique est introduit dans la zone en deux courants, à savoir un courant primaire et un courant secondaire. Le courant primaire est introduit en un point voi- sin de la base de l'élévateur, de façon à entrer dans celui-ci sans traver- ser la masse compacte de matière solide, d'habitude directement sous l'élé- vateur, Le courant secondaire est introduit en un ou plusieurs points dé- calés latéralement par rapport à l'axe de l'élévateur, de sorte qu'il traver-
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se une épaisseur substantielle de matière de contact dans la zone d'alimen- tation.
La fonction du courant de gaz primaire est de refouler les matiè- res solides granulaires vers le haut dans le conduit élévateur jusque dans la zone de réception. La fonction du courant secondaire de gaz élévateur est de régler le débit d'écoulement des matières solides dans le système en for- çant des matières solides dans le courant de gaz primaire passant dans le conduit élévateur,
Il a été découvert que lorsque la vitesse des matières solides ou du catalyseur dans le conduit élévateur est trop faible, il se produit un refluement et le fonctionnement de l'élévateur ne donne pas satisfaction.
Le refluement est le phénomène qui se produit lorsqu'une partie notable du catalyseur, au lieu de s'écouler seulement vers le haut, a tendance à des- cendre et se maintenir en un ou plusieurs points du conduit élévateur. Par contre, lorsque la vitesse du catalyseur dans l'élévateur est trop grande, le jet dé matières solides au sommet de l'élévateur dans la zone de récep- tion est trop haut et le fonctionnement de l'élévateur ne donne de nouveau pas satisfaction. Si la circulation du catalyseur est fixée par un débit déterminé du courant de gaz secondaire, le courant gazeux total contrôle la vitesse du catalyseur dans le conduit élévateur et, par conséquent, aus- si la hauteur du jet de particules dans la zone de réception à l'extrémité supérieure de ce conduit.
Une vitesse de gaz trop faible donne lieu à un état de "battement" ou un effet de houle, c'est-à-dire que la pression de gaz dans le conduit élévateur augmente et diminue alternativement, respecti- vement par suite d'une augmentation locale de la concentration du catalyseur causée par le refluement, et par suite du refoulement du catalyseur ainsi accumulé, sous l'effet de l'augmentation dé la pression de gaz qui en a ré- sulté. A mesure que la vitesse du gaz est augmentée, en augmentant le débit de gaz primaire, le battement cesse et la vitesse du catalyseur et la hau- teur du susdit jet augmentent.
Il a été constaté que l'élévateur à gaz fonctionnera le mieux lors- qu'un état de faible refluement, appelé refluement naissant, est atteint dans le conduit élévateur. Il a été découvert qu'une lecture de pression faite à un niveau intermédiaire dans le conduit élévateur, de préférence dans les deux tiers supérieurs de ce conduit, peut être utilisée pour donner une indi- cation sensible de l'existence du faible refluement ou battement naissant, et peut également être utilisée pour actionner l'élévateur avec un rende- ment maximum.
L'invention a pour objet de prévoir une méthode et un appareil perfectionné pour actionner un élévateur à gaz destiné à transporter des matières solides granulaires dans un courant ascensionnel de gaz élévateur.
Un autre objet de l'invention est de prévoir une méthode et un appareil perfectionnés pour actionner automatiquement et avec un rendement maximum, un élévateur à gaz qui est destiné à transporter des matières soli- des granulaires dans un courant ascensionnel de gaz élévateur.
Encore un autre objet de l'invention est de prévoir une méthode et un appareil perfectionnés pour déplacer pneumatiquement de bas en haut de la matière de contact granulaire dans un système de conversion cyclique d'hydrocarbures avec une attrition ou brisure minimum des particules.
Les susdites objets et d'autres objets de l'invention seront mieux compris à la lumière de la description de 1-*invention qui sera donnée ci- après avec référence aux dessins schématiques annexés, dans'lesquels : la Fig. 1 est une vue d'élévation d'une application préférée de l'invention à un procédé de conversion cyclique; la Fige 2 est une vue d'élévation, partiellement en coupe, mon- trant un élévateur pneumatique avec un appareil d'alimentation en gaz et des dispositifs automatiques pour maintenir le fonctionnement de l'éléva- teur à un rendement maximum; la Fig. 3 est une vued'élévation d'un élévateur à gaz avec une variante d'exécution de l'appareil'd'alimentation en gaz et des dispositifs
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automatiques pour maintenir le fonctionnement de l'élévateur à un rende- ment maximum;
la Fig. 4 est une vue dgélévation d'un élévateur à gaz montrant une autre forme de réalisation de l'invention, et la Fige 5 est un exemple typique d'un diagramme circulaire pres- sion-temps obtenu, pour une période de 24 heures, en enregistrant la pres- sion statique en un point intermédiaire d'un conduit élévateur dans un système de cracking d'hydrocarbures, à lit opératoire mobile, la Fig. 1 montre une application typique de l'invention dans un procédé cyclique continu de cracking catalytique à lit mobile.
La figure montre un réactor 10 qui est conçu pour contenir un lit compact mobile de catalyseur et qui peut être pourvu intérieurement de moyens actuellement bien connus pour réaliser l'écoulement uniforme, la mise en contact, l'ame- née et l'évacuation du catalyseur et du réactif, Le catalyseur entre dans le réactor par un conduit d'alimentation par gravité 11, et le catalyseur est extrait du réactor par deux ou plusieurs conduits 12 et 13, d'où il s'é- coule par des conduits d'embranchement 14 vers l'extrémité supérieure d'un. régénérateur de catalyseur 15. L'alimentation en hydrocarbure vaporisé, par exemple une fraction de gas oil à 500-900 F., peut entrer dans la partie @ supérieure du réactor par le tuyau 17.
L'alimentation peut être préchauf- fée dans un réchauffeur, non montré, jusqu'à une température de l'ordre de 700-900 F. Une alimentation d'un hydrocarbure liquide approprié à haut point d'ébullition peut être amenée dans le réactor par le tuyau 19, soit à froid ou après chauffage préalable, Les hydrocarbures gazeux produits .par le cracking, à bas point d'ébullition, peuvent être extraits de la partie inférieure du réactor par le tuyau 20. Un gaz d'étanchéité inerte approprié, tel que de la vapeur ou du gaz de fumée, peut être amené dans une zone supé- rieure d'étanchéité du réactor par le tuyau 21.
Le débit d'amenée du gaz d'étanchéité est maintenu par un dispositif de contrôle à pression différen- tielle 23, suffisant pour maintenir dans la zone d'étanchéité une pression légèrement supérieure à celle régnant dans la zone de réaction proprement dite. De même, un gaz d'étanchéité et de purge est admis dans la partie inférieure du réactdr par le tuyau 22, pour purger les hydrocarbures gazeux du catalyseur effluent. Il convient de noter que le terme "gazeux" est em- ployé ici dans un sens large et comprend les matières qui se trouvent dans la phase gazeuse dans les conditions de travail particulières envisagées, quelle que puisse être la phase dans laquelle se trouvent ces matières dans les conditions atmosphériques ordinaires.
On peut faire travailler le réactor à une pression sensiblement égale, ou quelque peu supérieure ou in- férieure à celle régnant dans le foura Si la pression dans le réactor dépasse sensiblement celle dans le four, il peut etre désirable de prévoir une zone d'abaissement de pression dans les conduits 12 et 13.
Bien que l'invention n'y soit pas limitée, le four montré a une forme annulaire, de fagon à présenter un passage central à travers lequel s'étend un conduit élévateur 25. Le four 15 est muni d'une entrée d'air centrale 26 et de sorties 16 et 19 pour le gaz de fumée, près de chaque ex- trémité. Un groupe de tubes de refroidissement est agencé dans la partie inférieure du four, le liquide ou gaz réfrigérant y étant amené par le tuyau 27,tandis qu'il quitte ces tubes par le tuyau 28.
Le catalyseur sort du four 15 par deux ou plusieurs tuyaux 30, 31, sous la forme de courants compacts qui sont conduits sur des colonnes com- pactes d'alimentation par gravité dans les conduits 32 et 33 respectivement.
Ces colonnes présentent des échappements à l'atmosphère à leur extrémité su- périeure, et des dispositifs appropriés de mesure du débit peuvent être as- sociés avec ces colonnes.
Un gaz élévateur peut être aspiré par le conduit descendant 50 au moyen d'un ventilateur 51 et être amené sous pression dans le réchauffeur 52. Le ventilateur est commandé par le moteur 57, la vitesse de ce moteur étant contrôlée automatiquement par le dispositif de contrôle réglant la pression 56, de façon à assurer que la pression de refoulement du ventila-
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teur reste pratiquement constante. Le gaz élévateur peut avantageusement être de l'air, de la vapeur ou un autre gaz inerte, la préférence étant don- née à l'air. Du combustible est introduit dans le réchauffeur 52 et y est brûlé afin de chauffer l'air jusqu'à une température voisine de celle du ca- talyseur.
L'air chaud est envoyé par le conduit 53 vers le conduit de gaz primaire et vers le conduit de gaz secondaire 54. Dans la forme préférée de réalisation de l'élévateur,le conduit primaire pénètrepar le fond du réservoir 34 de l'élévateur et s'arrête sous*le conduit élévateur. Le con- duit secondaire 54 peut être divisé en plusieurs conduits 43 répartis le long de la paroi du réservoir.34, de sorte que le gaz traverse le lit de ca- talyseur dans ce réservoir avant d'entrer dans le conduit élévateur 25, en amenant ainsi du catalyseur'dans le courant de gaz primaire.
Les courants gazeux combinés soulèvent les particules dans le conduit 25 jusqu'au sépa- rateur 360 Le gaz est extrait du séparateur par le conduit 63 et les ma- tières solides sont extraites par le conduit d'alimentation 11 vers le pot d'étanchéité 21 et sont ensuite amenées dans le réactor 10. Le dispositif de contrôle à pression différentielle 23 est utilisé pour commander la valve
21' dans la canalisation de gaz inerte 21 raccordée au pot d'étanchéité 55, de façon à maintenir dans celui-ci une pression légèrement supérieure à cel- le régnant dans le réactor, en empêchant ainsi l'échappement de produits de réaction vers le conduit d'alimentation.
Un indicateur de débit 60 est agencé dans le conduit descendant 50, où il mesure le courant total de gaz élévateur. Un dispositif de controle 61 pour le réglage de l'écoulement se trouve en liaison opératoire avec le dispositif 60 et la valve 62 dans le conduit de gaz primaire 38, de façon à maintenir constant le courant de gaz total dans l'élévateur. Dans ce gen- re d'élévateur, le courant de catalyseur passant à travers celui-ci est dé- terminé par le débit du courant de gaz secondaire à travers le conduit 54.
Il a été constaté que l'écoulement des matières solides est sensiblement pro- portionnel à la pression à la base de l'élévateur. Pour cette raison, un dispositif de contrôle 58 réglant la pression est prévu en liaison opératoi- re avec un robinet de pression 5 à la base de l'élévateur et avec la valve 59 dans le conduit 54, de façon à maintenir la circulation de catalyseur pra- tiquement constante.
Un robinet de pression 70 est agencé dans les deux tiers supérieurs du conduit élévateur et est relié à l'indicateur 79, Il a été découvert que cette lecture de pression peut être utilisée pour régler le débit d'écoula- ment du gaz de façon que l'attrition soit minimum. L'écoulement du gaz est réglé au-dessus du débit de refluement, c'est-à-dire le débit auquel un bat - tement ou refluement violent se produit dans le conduit élévateur, avec de brusques changements de pression et une augmentation rapide de brisure du catalyseur.
L'écoulement de gaz est ensuite réduit graduellement en ajustant le dispo'sitif de contrôle 61 réglant l'écoulement, jusqu'à ce que la pression indiquée par l'indicateur 79 montre une amplitude de fluctuation d'environ 100 pour cent. Cela est connu sous le' non de débit de seuil de refluement ou débit de commencement de refluement. Toute faible diminution supplémen- taire du débit de l'écoulement total de gaz aurait pour effet que la pres- sion dans le conduit élévateur,telle qu'indiquée par l'indicateur,monte- rait jusqu'à 3 ou 4 fois sa valeur normale et il se produirait un refluement dans ledit conduit.
Le dispositif de contrôle réglant l'écoulement est alors réglé de la façon correspondant à un débit d'écoulement dépassant d'environ 1% le débit de commencement de refluement, et l'attrition du ca- talyseur sera ainsi réduite à un minimum. En général, afin d'obtenir le meilleur rendement, le débit de l'écoulement de gaz total doit dépasser d'environ 0,5 - 2,0 pour cent le débit de commencement de refluement et, pour obtenir le fonctionnement préféré, le débit de l'écoulement de gaz to- tal par le conduit élévateur doit dépasser d'environ 0,75 - 1,25 pour cent le débit de commencement de reflument.
Dans le cas de la Fig. 2, le catalyseur est amené par les conduits 32 et 33 sur un lit de catalyseur 29 dans un réservoir 34 d'alimentation de l'élévateur. Un conduit élévateur 25, sensiblement vertical et s'évasant vers le haut, monte depuis l'intérieur de ce réservoir jusqu'à l'intérieur d'un
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vase séparateur de batterie 36 qui est disposé à une distance appréciable au-dessus du réactor 10. L'extrémité inférieure du tuyau élévateur peut être évasée pour former une embouchure 35. Celle-ci est, de préférence, évasée suivant une courbe, approximativement une spirale hyperbolique. Une vue de détail de l'embouchure est montrée en Fig. 2.
Elle peut être consti- tuée par un organe séparé qui est fixé à un organe vertical pour former l'ensemble du tuyau élévateur, ou elle peut être formée par l'extrémité in- férieure même d'un tuyau élévateur continu. Lorsqu'il est question d'un con- duit élévateur, il faut entendre par là qu'il comprend tout le passage, de- puis le sommet jusqu'à la base, comportant en général une partie verticale dans des formes préférées, aussi l'entrée courbe, en plus de la partie verticale. Le gaz primaire est introduit par le tuyau 38 qui s'arrête direc- tement sous le tuyau élévateur,au-dessus de la surface de la masse de soli- des. Le gaz secondaire est introduit par les tuyaux 43 dans l'espace annu- laire derrière le déflecteur 47.
Le gaz secondaire pénètre dans la masse de solides autour de la base du tuyau élévateur et accède dans 1.'extrémité inférieure de celui-ci. De préférence, la matière de contact est maintenue suspendue au-dessus d'un niveau situé au-dessous, ou tout au moins pas au- dessus du niveau d'entrée du gaz primaire,
Tout le gaz élévateur passe de haut en bas par le tuyau descendant 50 pour arriver au ventilateur 51. Le gaz est envoyé par le tuyau 44 au réchauffeur 52. Afin de stabiliser l'opération, un appareil de controle de la pression 56 est connecté au robinet de pression 64 dans le conduit 44 et est utilisé pour commander la vitesse du ventilateur.
Cela est en particulier nécessaire lorsque le ventilateur a une caractéristique de rendement, pieds cubes par minute - tours par minute, qui présente une allure à pente raide.
Dans le cas de la Fig. 2, l'appareil de contrôle est utilisé pour actionner une soupape automatique dans la conduite de vapeur amenant de la vapeur à une turbine à vapeur utilisée pour entraîner le ventilateur 51. Le gaz élé- vateur, chauffé dans le réchauffeur 52,est délivré par le conduit 53 et séparé en un courant de gaz primaire et un courant de gaz secondaire.
Lorsque la vitesse des particules se déplaçant vers le haut dans le tuyau 25 est trop faible, il se produit un état de refluement dans le tuyau, qui peut devenir tellement violent que l'écoulement de solides à tra- vers le tuyau est sérieusement diminué ou même arrêté. Il a été constaté que l'attrition ou la brisure des particules est exagérée lorsque le reflue- ment se produit dans le tuyau, Si, au contraire, la vitesse des particules est trop élevée, les particules sont projetées hors de l'extrémité supérieu- re du tuyau à une vitesse excessive et il se produit de nouveau une forte attrition. Le flux total de gaz contrôle la vitesse du catalyseur, tandis que le flux de gaz secondaire contrôle le débit de circulation du catalyseur.
Lar conséquent, lorsqu'on met l'élévateur en marche, la valve 66 est ouverte suffisamment pour fournir un flux total de gaz, tel que mesuré par l'appa- reil' de mesure de débit 60 dans le tube descendant 50, qui est calculé de façon., ou dont on sait qu'il produit'une vitesse du catalyseur, qui est su- périeure à celle qui correspond au refluement. Le débit d'écoulement du ca- talyseur est alors ajusté en ouvrant la valve 67 dans le conduit de gaz se- condaire. Il a été constaté que le débit d'écoulement du catalyseur est re- lationné avec la chute de pression dans l'élévateur.
De ce fait, lorsque l'extrémité supérieure de l'élévateur à un échappement à l'atmosphère ou que la pression en ce point est maintenue constante, le débit d'écoulement de catalyseur peut être maintenu constant au moyen d'un dispositif de contrôle de la pression 48 qui est attaché à un robinet de pression 69 et est utilisé pour actionner automatiquement la valve 67. Afin d'assurer que l'attrition du catalyseur reste voisine du minimum obtenable, la valve 67 est maintenue dans une position fixe et le flux total de gaz est réduit en fermant graduellement la valve 66 La pression à la base de l'élévateur telle qu'indiquée par un manomètre attaché au robinet de pression 69, tombe à un minimum et commence ensuite à monter pendant que le flux total de gaz est réduit.
L'élévateur donnera un rendement satisfaisant et une attrition raisonnablement basse s'il fonctionne avec le débit d'écoulement qui donnait la pression minimum à la base de l'élévateur ou un débit légèrement supérieur.
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La valve 67 peut alors être placée sur le .fonctionnement automatique pour maintenir la circulation de catalyseur à une valeur constante.
Il a été constate que lorsque le débit d'écoulement du gaz est réglé, de telle façon que la chute de pression dans l'élévateur atteint son minimum, tel qu'indiqué ci-dessus,' l'attrition du catalyseur peut varier considérablement. On croit que ce manque: d'uniformité de l'attrition est dû à des variations de la vitdsse du gaz, qui sont trop faibles pour pro- voquer des changements mesurables de la chute de pression totale et ne peu- vent donc pas être décelées..
Un essai expérimental d'un conduit élévateur conçu pour une exploitation pratique avec un débit de circulation de cataly- seur atteignant 360 tonnes de particules granulaires de catalyseur par heu- re, a prouvé que le contrôle de la vitesse du gaz est extrêmement critique, avec augmentation de trois pourccent dé la vitesse provoquant une augmenta- tion de vingt-cinq pourcent de l'attrition du catalyseur. Une' diminution similaire de la vitesse par rapport à la valeur optimum peut morne donner-lieu à des difficultés plus grandes, à cause de l'état de refluement violent qui se produit dans le cas d'une vitesse de gaz trop faible.
Il a été constaté que le débit d'écoulement du gaz qui assure la vitesse optimum du gaz peut être déterminé d'une façon beaucoup plus précise en mesurant la pression statique en des points intermédiaires le long dé 1'élévateur, de préféren- ce à des niveaux-située au-dessus du tiers inférieur de l'élévateur. Lors- que la vitesse du gaz est trop faible et que le refluement se produit dans le conduit, la pression statique monte à environ quatre fois sa valeur nor- male. Des vitesses excessives font baisser la pression statique. En ou- tre, à la vitesse optimum, les fluctuations de la pression statique sont plus grandes qu'à une vitesse excessive du gaz, bien qu'elles soient plus uni- formes et pas aussi violentes que celles qui se produisent lorsqu'il existe du refluement.
On a constaté que la vitesse de gaz optimum est atteinte lorsque les fluctuations des pressions intermédiaires sont à leur maximum et ont cependant un caractère uniforme. Cela peut être décrit comme étant un état de refluement ou de battement naissant. Si le débit total d'écou- lement de gaz est ajusté continuellement ou périodiquement de façon à main- tenir la vitesse de gaz optimum dans le conduit élévateur, tel qu'indiqué par la pression.,statique intermédiaire, on obtient, dans son ensemble, le meilleur rendement de l'élévateur, et l'attrition du,catalyseur est à sa va- leur minimum.
La vitesse du gaz peut être contrôlée en se basant sur la pres- sion statique intermédiaire et en réglant le débit total d'écoulement du gaz en conformité avec la lecture de la pression. Le débit d'écoulement de gaz est maintenu suffisamment bas pour obtenir une largeur maximum de la bande de pression à une pression aussi élevée que possible, sans qu'il se produise une augmentation brusque de la pression jusqu'à plusieurs fois sa valeur normale, La vitesse de commencement de refluement est déterminée périodiquement en diminuant le débit d'écoulement du gaz jusqu'à- ce que la pression statique augmente rapidement. Le débit d'écoulement du gaz est alors augmenté pour accroître la vitesse du gaz jusqu'à ce qu'il se produise un état de reflumenttnaissant.
Il a été constaté qu'une augmentation d'en- viron un pourcent au-dessus du débit de commencement de refluement fait chan- ger les conditions dans le conduit élévateur depuis le refluement jusqu'au refluement naissant. Le débit total d'écoulement de gaz peut alors être ajusté de façon à maintenir constante la pression statique intermédiaire et/ou la largeur de la bande de pression.
L'élévateur à gaz peut également fonctionner automatiquement et-- d'une façon continue à la vitesse de gaz optimum. La Fig. 2 montre un ro- binet de pression statique 70 fixé à un amortisseur 71 destiné à éliminer les fluctuations de pression. La pression régulière est alors appliquée à un appareil de contrôle de la pression 72. Puisque la vitesse de gaz op- timum est très critique, l'appareil de contrôle,dans une forme de réalisa- tion préférée de l'invention, n'est pas utilisé pour actionner la valve 66,
mais pour actionner la valve 73 prévue dans un petit conduit de by-pass mis en parallèle avec .la valve principale 66. Etant donné que l'écoulement de
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gaz à travers la valve de by-pass 73 est une petite fraction de l'écoulement à travers la valve principale, la valve 73 a une sensibilité suffisante pour permettre un réglage très précis de la vitesse de gaz optimum. La valve prin- cipale 66 est placée manuellement à un débit d'écoulement dort on sait qu'il est légèrement inférieur à la valeur optimum. La valve auxiliaire est alors commandée automatiquement de fagon à maintenir la vitesse à la valeur optimum et l'attrition dans l'élévateur à un minimum. ' @ '
Là Fig. 3 montre une variante d'exécution.
L'appareil de mesure du débit d'écoulement 60 peut être constitué par une plaque munie d'un ori- fice, un venturi ou un autre dispositif approprié pour mesurer l'écoulement du gaz. Le réchauffeur 52 peut être agencé dans le conduit de gaz primaire 38, tel que montré dans le dessin, puisqu'en général 85-95 pourcent du flux total de gaz passe par le conduit de gaz primaire. Le robinet de pression 70 est relié à un limitateur ou dispositif de contrôle de tolérance 80, des- tiné à contrôler la largeur de la bande de pression pour la maintenir entre des valeurs maximum et minimum. Le dispositif 80 est relié à une valve 81 montée dans un petit conduit de fuite 82.
Ce dernier peut être prévu pour soutirer du gaz du conduit de gaz primaire 38 lorsque la valve 81 est ou- verte, ou bien il peut amener du gaz fourni par une source de pression, non montrée, Grâce à cet expédient, le débit de gaz est diminué lorsque la- variation de la pression statique diminue et inversement. La variation op- timum pour un conduit élévateur quelconque est déterminée rapidement par un essai de refluement et les limites du dispositif de controle 80 sont fixées en conséquence.
La Figo 4 montre une disposition dans laquelle la valve principa- le 66 est actionnée automatiquement par un dispositif de contrôle de l'écou- lement 83, de façon à maintenir un écoulement constant à travers le conduit élévateur 25. Un dispositif limitateur 84 est relié au robinet de pression 70 et est utilisé poùr actionner la valve 73 dans le conduit 85, qui forme un by-pass par rapport à la valve principale 66. Le dispositif de contrôle de l'écoulement 83 est pourvu de conduits de pression 86, 87 situés de part 'et d'autre de l'appareil de mesure 60, ainsi que d'un conduit de by-pass 88 reliant ces deux conduits. La valve 89 dans le conduit 88 est normalement fermée.
Toutefois, le dispositif limitateur 84 est conçu pour actionner au- tomatiquement la valve 89 lorsque la valve 73 est actionnée, de façon que la chute de pression dans le dispositif de mesure de l'écoulement ne soit pas changée. Il est également possible de prévoir une disposition telle que le dispositif limitateur 84 agisse directement sur le dispositif de contrô- le de l'écoulement 83 de façon à régler celui-ci à un nouveau point de con- trôle si l'écoulement par le conduit de by-pass 85 est augmenté ou diminué.
Le dispositif de contrôle 83 doit être ajusté dé telle façon que le débit d'écoulement contrôlé soit augmenté ou diminué d'une quantité égale à l'aug- mentation ou la diminution dans le conduit de by-pass 85.
Dans une variante de réalisation, au lieu d'utiliser un dispositif limitateur dans l'appareil montré dans la Fig. 3, on peut utiliser un instru- ment automatique de prélèvement d'échantillons pour effectuer aontinuelle- ment des essais de refluement. Cet instrument est relié au robinet de pres- sion 70, au lieu du dispositif limitateur 80, et actionne la valve 81, tel que montré dans la Fig. 3. L'instrument 80' réduit l'écoulement de gaz to- tal jusqu'à ce que la pression statique de l'élévateur monte d'environ 100 pourcent et, ensuite, l'instrument augmente le débit total de gaz d'environ 1 pourcent, Cette succession d'opérations est continue, de façon à mainte- nir la vitesse du gaz élévateur dans une zone de valeurs optimum.
EXEMPLE.
Un système industriel de cracking catalytique, qui comporte un réac- tor disposé au dessus du four et comprend un conduit élévateur pneumatique de 237 pieds, a été actionné avec un débit de circulation de catalyseur de 340 tonnes par heure, en utilisant un catalyseur de cracking standard. L'ex- trémité inférieure du tuyau élévateur est munie d'une embouchure qui s'élar- git suivant une courbe de spirale hyperbclique. Le tronçon tronconique in- férieur du tuyau s'étend vers le haut sur environ 65 pourcent de la longueur
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totale et le tronçon supérieur s'élargit suivant une courbe douce jusqu'à un diamètre intérieur maximum de 39,3".
Le. diamètre intérieur du tuyau est de 25,65" - 27" - 29" et 31,7", respectivement à l'extrémité inférieure du tronçon tronconique du tuyau, et à 50 pieds, 100 pieds, et 150 pieds au-des- sus de ce niveau. Des robinets de pression ont été agencés 166 pieds et
214 pieds au-dessus de la base du tuyau et des lectures ont été faites d'u- ne.façon continue pendant une période de 24 heures. Les diagrammes pres- sion-temps sont montrés dans la Fig. 5. Il a été constaté que pendant le fonctionnement normal ces pressions variaient sur une bande d'une certaine largeur,autour d'une valeur moyenne franchement constante. Le temps d'une fluctuation allant d'un bord de la bande à l'autre avait une valeur moyenne d'environ une minute.
Lorsque l'écoulement d'air primaire était diminu., la bande s'élargissait et la vapeur moyenne se déplaçait dans le sens des pressions plus élevées, ' Lors d'une diminution supplémentaire de l'écoulement d'air primaire, le refluement se produisait, tel qu'il résultait des augmentations momentanées de pression jusqu'à des valeurs se trouvant, en dehors, et du côté des pressions élevées, des bandes de fonctionnement normal, tel que montré dans les points A, B, C, D et E dans le diagramme des pressions de la Figo 5. Pendant la période de 1 à 7 hrs. de relevée (P.M.); l'écoulement d'air a été varié, comme montré en Fig. 5, pour indiquer la différence du diagramme pression-temps à des débits de gaz différents.
Lors- que le fonctionnement était continu dans des conditions de refluement nais- sant, tel qu'indiqué entre 7 et 9 hrs. de relevée, le taux d'attrition était inférieur à une tonne et demie par jour pour un débit de circulation de 340 tonnes.par heure. L'écoulement de gaz correspondant à l'attrition minimum, dans les conditions de travail réalisées, était d'environ 12.600 pieds cubes par minute, à 20 C et 760 mmHg. Le débit de commencement'de refluement se trouvait à environ 12.475 pieds cubes par minute à 20 C et 760 mmHg.
1 Il va de soi que les susdits exemples particuliers de réalisation de l'appareil, quant à la forme et l'agencement, et de mise en -oeuvre et d'application de l'invention ne servent qu'à illustrer celle-ci, et que de multiples modifications peuvent y être apportées sans se départir de l'es- prit de l'invention.
REVENDICATIONS.
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METHOD AND APPARATUS FOR ACTUATING A PNEUMATIC LIFT USED TO TRANSPORT GRANULAR SOLID MATERIALS.
The present invention relates to the actuation of a pneumatic elevator to bring granular contact material from a specific location to a higher location. It especially relates to an apparatus and method for operating such an elevator in continuous hydrocarbon conversion processes, in which granular contact material is moved in a closed cycle through conversion and regeneration zones.
The invention is applicable to processes such as catalytic cracking, isomerizations, hydrogenation, dehydrogenation, "re-forming" (treatment to modify the properties), "hydroforming" (treatment with water). hydrogen to modify the properties), aromatization, alkylation, cyclization, treatment and desulfurization of petroleum fractions. The invention can also be applied to the coking of hydrocarbons in the presence of coke or granular solid refractories, reduction of the viscosity of petroleum residues at high temperatures, pyrolytic transformation processes, such as conversion of propane and ethane to unsaturated hydrocarbons and the conversion of methane to acetylene.
The properties of the contact material in question can vary widely depending on its use. For systems for the catalytic treatment of hydrocarbons, the catalyst can be constituted by natural or treated clays, bauxites, inert or active vehicles impregnated with certain metals with catalytic activity or compounds thereof, or of compounds. synthetic combinations of silica, alumina, magnesia, chromium, molybdenum oxide, etc., or combinations thereof, to which small amounts of other compounds can be added, usually metal compounds, for specific applications.
When the contact substance is used primarily for heat transport purposes, such as in pyrolytic conversion processes, it may be in the form of any of a number of refractory materials.
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silos, such as molten alumina, mullite, carborundum, zirconia, carbon, and (- ',, ..; for coking processes, the solido material can be formed by a low catalyst. activity based on clay, petroleum coke, pumice or the like Contact material may be in the form of pellets, spheres, tablets or palpable particles of irregular shape, different from powder materials.
It should be noted that the term "granular" is used herein in a broad sense and covers any of the above mentioned forms of contact material. The particle sizes of the contact material according to the present invention can range from about 0.005 to 0.5 inches (0.127 to 12.7 mm.) And, preferably, from 4 to 20 mesh of the Tyler series (" Tyler Standard Screen Analysis "). The density of the material, when poured into a measuring vessel, can range from about 20 to 130 pounds per cubic foot.
In continuous catalytic cracking systems, the contact material is cycled through a conversion zone in which it is contacted with a hydrocarbon feed, at pressures usually in excess of atmospheric pressure. and at temperatures of the order of 700 - 1100 F, so as to cause the transformation of said feed, and then through a regeneration zone in which a carbonaceous deposit formed on the catalyst - in the zone. conversion and contaminant thereof is removed by combustion.
When using granular catalysts, it has been found that it is highly desirable to maintain the catalyst as a substantially compact bed or column of particles moving by gravity in the zones of. conversion and regeneration. Until recently, the use of continuous bucket elevators has been exclusively used to transport the catalyst between the various zones in industrial plants. It has been observed that mechanical lifts impose certain practical limits as to the total height of the installation and: the quantity of catalyst put into circulation.
Consequently, all known industrial catalytic cracking plants of the moving compact bed type involved the side-by-side arrangement of the reactor or reaction vessel and the furnace, so that they required two elevators and involved flow rates. relatively low catalyst circulation. It has been found desirable to increase the flow rates of circulating catalyst in order to allow the simplification of other parts of the system, especially the furnace, and to arrange the reactor and furnace vertically in series, so as to avoid 'require only one catalyst transport operation per cycle.
This was practically impractical with known mechanical transport devices. It has from time to time been proposed to carry out the transport of the catalyst by pneumatic elevators, but the application of pneumatic transport - in these cyclic conversion systems has been prevented. because of the very high attrition and breakage of the catalyst, which occurred during the pneumatic conveying operation, and also because of the exaggerated energy consumption.
Pneumatic elevators have recently been established which allow convenient pneumatic transport of the granular contact material in these cyclic conversion systems, in part due to the delicate control of gas velocities at various points along the elevator. These elevators essentially involve the use of a continuous elevator-vertical duct, open at both ends, and the ends of which penetrate into supply and reception zones and stop between the top and the base of each zone. The contact material is gravity fed into the feed area at the base of the elevator, as a substantially compact mass, and travels downward around the lower end of the elevator duct.
In a preferred embodiment of the gas elevator, a pneumatic carrier gas is introduced into the zone in two streams, namely a primary stream and a secondary stream. The primary current is introduced at a point near the base of the elevator, so as to enter it without passing through the compact mass of solid matter, usually directly under the elevator, The secondary current is introduced at one or more points offset laterally with respect to the axis of the elevator, so that it passes through
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there is a substantial thickness of contact material in the feed zone.
The function of the primary gas stream is to force the granular solids upward in the elevator duct to the receiving area. The function of the secondary lift gas stream is to control the rate of flow of solids through the system by forcing solids into the primary gas stream passing through the lift duct,
It has been found that when the velocity of solids or catalyst in the elevator line is too low, backflow occurs and operation of the elevator is unsatisfactory.
Backflow is the phenomenon which occurs when a significant part of the catalyst, instead of flowing only upward, tends to descend and remain at one or more points of the elevator duct. On the other hand, when the speed of the catalyst in the elevator is too high, the jet of solids at the top of the elevator in the landing zone is too high and the operation of the elevator is again unsatisfactory. . If the circulation of the catalyst is fixed by a determined flow rate of the secondary gas stream, the total gas stream controls the speed of the catalyst in the lifting duct and, therefore, also the height of the particle jet in the receiving zone at the upper end of this duct.
Too low a gas velocity results in a "beat" condition or a swell effect, i.e. the gas pressure in the elevator duct increases and decreases alternately, respectively as a result of a local increase in catalyst concentration caused by the backflow, and as a result of the backflow of the catalyst thus accumulated, under the effect of the resulting increase in gas pressure. As the gas velocity is increased, by increasing the primary gas flow rate, the flapping ceases and the speed of the catalyst and the height of the aforesaid jet increase.
It has been found that the gas elevator will perform best when a condition of low reflux, called incipient reflux, is reached in the elevator duct. It has been found that a pressure reading taken at an intermediate level in the elevator duct, preferably in the upper two-thirds of that duct, can be used to give a substantial indication of the existence of the low backflow or backbeat. incipient, and can also be used to operate the lift with maximum output.
It is an object of the invention to provide an improved method and apparatus for operating a gas elevator for conveying granular solids in an upward flow of elevator gas.
Another object of the invention is to provide an improved method and apparatus for automatically and with maximum efficiency operating a gas elevator which is intended to transport granular solids in an upward flow of elevator gas.
Yet another object of the invention is to provide an improved method and apparatus for pneumatically moving granular contact material up and down in a cyclic hydrocarbon conversion system with minimum particle attrition or breakage.
The aforesaid objects and other objects of the invention will be better understood in the light of the description of the invention which will be given below with reference to the appended schematic drawings, in which: FIG. 1 is an elevational view of a preferred application of the invention to a cyclic conversion process; Fig. 2 is an elevation view, partially in section, showing a pneumatic elevator with gas supply apparatus and automatic devices to maintain elevator operation at maximum efficiency; Fig. 3 is an elevation view of a gas elevator with an alternative embodiment of the gas supply apparatus and devices.
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automatic to maintain the operation of the elevator at maximum efficiency;
Fig. 4 is an elevational view of a gas elevator showing another embodiment of the invention, and Fig. 5 is a typical example of a pressure-time circular diagram obtained, for a period of 24 hours, in recording the static pressure at an intermediate point of a lifting duct in a hydrocarbon cracking system, with a moving operating bed, FIG. 1 shows a typical application of the invention in a continuous cyclic process for catalytic cracking with a moving bed.
The figure shows a reactor 10 which is designed to contain a movable compact bed of catalyst and which may be internally provided with means presently well known for effecting the uniform flow, contacting, supply and discharge of the catalyst. catalyst and reagent, The catalyst enters the reactor through a gravity feed line 11, and the catalyst is withdrawn from the reactor through two or more conduits 12 and 13, from where it flows through gravity conduits. branch 14 to the upper end of a. catalyst regenerator 15. The feed of vaporized hydrocarbon, for example a fraction of gas oil at 500-900 F., can enter the upper part of the reactor through pipe 17.
The feed can be preheated in a heater, not shown, to a temperature in the range of 700-900 F. A feed of a suitable high boiling liquid hydrocarbon can be fed into the reactor. through pipe 19, either cold or after preheating, The gaseous hydrocarbons produced by cracking, at low boiling point, can be extracted from the lower part of the reactor through pipe 20. A suitable inert sealing gas , such as steam or flue gas, can be brought into an upper sealing zone of the reactor through pipe 21.
The flow rate of the sealing gas is maintained by a differential pressure control device 23, sufficient to maintain in the sealing zone a pressure slightly higher than that prevailing in the reaction zone proper. Likewise, a sealing and purging gas is admitted into the lower part of the reactor through pipe 22, to purge the gaseous hydrocarbons from the effluent catalyst. It should be noted that the term "gaseous" is used herein in a broad sense and includes materials which are in the gas phase under the particular working conditions contemplated, regardless of the phase in which these materials are found. under ordinary atmospheric conditions.
The reactor can be operated at a pressure substantially equal to, or somewhat higher or lower than that prevailing in the furnace. If the pressure in the reactor substantially exceeds that in the furnace, it may be desirable to provide a lowering zone. pressure in conduits 12 and 13.
Although the invention is not limited thereto, the furnace shown has an annular shape, so as to have a central passage through which extends an elevator duct 25. The furnace 15 is provided with an air inlet. central 26 and outlets 16 and 19 for the flue gas, near each end. A group of cooling tubes is arranged in the lower part of the oven, the liquid or refrigerant gas being brought there through the pipe 27, while it leaves these tubes through the pipe 28.
The catalyst exits the furnace 15 through two or more pipes 30, 31, in the form of compact streams which are conducted over compact gravity feed columns in conduits 32 and 33 respectively.
These columns have atmospheric escapes at their upper end, and suitable flow measurement devices can be associated with these columns.
An elevating gas can be drawn in through the descending conduit 50 by means of a fan 51 and be brought under pressure into the heater 52. The fan is controlled by the motor 57, the speed of this motor being automatically controlled by the control device. adjusting the pressure 56, so as to ensure that the discharge pressure of the fan
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tor remains practically constant. The lift gas may advantageously be air, steam or other inert gas, with preference being given to air. Fuel is introduced into the heater 52 and is burnt there in order to heat the air to a temperature close to that of the catalyst.
The hot air is sent through the duct 53 to the primary gas duct and to the secondary gas duct 54. In the preferred embodiment of the elevator, the primary duct enters through the bottom of the tank 34 of the elevator and stops under * the elevator duct. The secondary duct 54 can be divided into several ducts 43 distributed along the wall of the reservoir. 34, so that the gas passes through the catalyst bed in this reservoir before entering the lifting duct 25, by thereby supplying catalyst into the primary gas stream.
The combined gas streams lift the particles in line 25 to separator 360 The gas is withdrawn from the separator through line 63 and solids are drawn through supply line 11 to seal 21 and are then fed into the reactor 10. The differential pressure control device 23 is used to control the valve.
21 'in the inert gas pipe 21 connected to the sealing pot 55, so as to maintain therein a pressure slightly greater than that prevailing in the reactor, thus preventing the escape of reaction products towards the reactor. supply duct.
A flow indicator 60 is arranged in the downcomer 50, where it measures the total flow of lift gas. A control device 61 for adjusting the flow is in operative connection with the device 60 and the valve 62 in the primary gas line 38, so as to keep the total gas flow in the elevator constant. In this type of elevator, the catalyst stream passing therethrough is determined by the flow rate of the secondary gas stream through line 54.
It has been found that the flow of solids is substantially proportional to the pressure at the base of the elevator. For this reason, a pressure regulating control device 58 is provided in operative connection with a pressure tap 5 at the base of the elevator and with the valve 59 in the conduit 54, so as to maintain the circulation of catalyst. practically constant.
A pressure valve 70 is located in the upper two-thirds of the elevator duct and is connected to indicator 79. It has been discovered that this pressure reading can be used to adjust the gas flow rate so that attrition is minimal. The gas flow is set above the reflux rate, that is, the rate at which violent backbeating or backlashing occurs in the elevator duct, with sudden pressure changes and a rapid increase in pressure. breaking of the catalyst.
The gas flow is then gradually reduced by adjusting the flow regulating control device 61, until the pressure indicated by the indicator 79 shows an amplitude of fluctuation of about 100 percent. This is known as the reflux threshold rate or the reflux start rate. Any further small decrease in the rate of the total gas flow would cause the pressure in the elevator duct, as indicated by the indicator, to rise to 3 or 4 times its normal value. and there would be reflux in said conduit.
The flow regulating control device is then adjusted in a manner corresponding to a flow rate exceeding by about 1% the rate of initiation of reflux, and the attrition of the catalyst will thus be reduced to a minimum. In general, in order to achieve the best efficiency, the rate of the total gas flow should exceed by about 0.5 - 2.0 percent the start-back flow rate and, to achieve the preferred operation, the flow rate. of the total gas flow through the riser pipe should exceed the initial reflux rate by approximately 0.75 - 1.25 percent.
In the case of FIG. 2, the catalyst is fed through conduits 32 and 33 to a catalyst bed 29 in a tank 34 for feeding the elevator. An elevator duct 25, substantially vertical and widening upwards, rises from the inside of this tank to the inside of a
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battery separator vessel 36 which is disposed an appreciable distance above the reactor 10. The lower end of the riser pipe may be flared to form a mouth 35. This is preferably flared in a curve, approximately one. hyperbolic spiral. A detail view of the mouthpiece is shown in Fig. 2.
It may be a separate member which is attached to a vertical member to form the entire riser pipe, or it may be formed by the lower end of a continuous riser pipe itself. When it comes to an elevator duct, this is to be understood to include the whole passage, from the top to the base, usually having a vertical part in preferred forms, also l curved entry, in addition to the vertical part. Primary gas is introduced through pipe 38 which terminates directly below the riser pipe, above the surface of the solid mass. The secondary gas is introduced through the pipes 43 into the annular space behind the deflector 47.
The secondary gas enters the mass of solids around the base of the riser pipe and enters the lower end thereof. Preferably, the contact material is kept suspended above a level below, or at least not above, the input level of the primary gas,
All the lift gas passes from top to bottom through the down pipe 50 to reach the fan 51. The gas is sent through the pipe 44 to the heater 52. In order to stabilize the operation, a pressure control apparatus 56 is connected to the. pressure tap 64 in duct 44 and is used to control the speed of the fan.
This is particularly necessary when the fan has an efficiency characteristic, cubic feet per minute - revolutions per minute, which exhibits a steeply pitched pattern.
In the case of FIG. 2, the control apparatus is used to operate an automatic valve in the steam line supplying steam to a steam turbine used to drive fan 51. Lift gas, heated in heater 52, is delivered by line 53 and separated into a primary gas stream and a secondary gas stream.
When the velocity of the particles moving upward in the pipe 25 is too low, a backflow condition occurs in the pipe, which can become so violent that the flow of solids through the pipe is seriously diminished or even stopped. It has been found that the attrition or the breaking of the particles is exaggerated when the backflow occurs in the pipe, If, on the contrary, the speed of the particles is too high, the particles are thrown out of the upper end- re-pipe at excessive speed and high attrition occurs again. The total gas flow controls the speed of the catalyst, while the secondary gas flow controls the flow rate of the catalyst.
Therefore, when the elevator is turned on, the valve 66 is opened sufficiently to provide a total flow of gas, as measured by the flow meter 60 in the down tube 50, which is. calculated to be, or known to produce a catalyst velocity which is greater than that corresponding to reflux. The flow rate of the catalyst is then adjusted by opening valve 67 in the secondary gas line. It has been found that the catalyst flow rate is related to the pressure drop across the elevator.
Therefore, when the upper end of the elevator is exhausted to atmosphere or the pressure at this point is kept constant, the catalyst flow rate can be kept constant by means of a control device. pressure 48 which is attached to a pressure tap 69 and is used to automatically actuate valve 67. In order to ensure that catalyst attrition remains near the minimum achievable, valve 67 is held in a fixed position and the total gas flow is reduced by gradually closing valve 66 The pressure at the base of the elevator as indicated by a pressure gauge attached to the pressure valve 69, drops to a minimum and then begins to rise as the total flow of gas is reduced.
The elevator will give satisfactory performance and reasonably low attrition if it is operated at the flow rate that gave the minimum pressure at the base of the elevator or slightly higher.
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The valve 67 can then be placed on automatic operation to keep the catalyst flow constant.
It has been found that when the gas flow rate is adjusted such that the pressure drop across the elevator reaches a minimum, as indicated above, the attrition of the catalyst can vary considerably. It is believed that this lack of uniformity of attrition is due to variations in gas velocity, which are too small to cause measurable changes in the total pressure drop and therefore cannot be detected. ..
An experimental test of an elevator duct designed for practical operation with a catalyst flow rate of up to 360 tonnes of granular catalyst particles per hour, has shown that gas velocity control is extremely critical, with a three percent increase in speed causing a twenty-five percent increase in catalyst attrition. A similar decrease in velocity from the optimum value may give rise to greater difficulties, because of the violent reflux state which occurs in the case of too low a gas velocity.
It has been found that the gas flow rate which provides the optimum gas velocity can be determined much more precisely by measuring the static pressure at intermediate points along the elevator, preferably at levels - located above the lower third of the elevator. When the gas velocity is too low and backflow occurs in the duct, the static pressure rises to about four times its normal value. Excessive speeds lower the static pressure. In addition, at optimum velocity the fluctuations in static pressure are greater than at excessive gas velocity, although they are more uniform and not as violent as those which occur when present. of ebb.
It has been found that the optimum gas velocity is reached when the fluctuations in the intermediate pressures are at their maximum and yet have a uniform character. It can be described as a state of ebb or flutter incipient. If the total gas flow rate is adjusted continuously or periodically so as to maintain the optimum gas velocity in the elevator duct, as indicated by the intermediate static pressure, the result as a whole , the best performance of the elevator, and the attrition of the catalyst is at its minimum.
The gas velocity can be controlled based on the intermediate static pressure and adjusting the total gas flow rate in accordance with the pressure reading. The gas flow rate is kept low enough to achieve a maximum width of the pressure band at as high a pressure as possible, without a sudden increase in pressure to several times its normal value. The rate of onset of reflux is determined periodically by decreasing the gas flow rate until the static pressure increases rapidly. The gas flow rate is then increased to increase the gas velocity until a reflux state occurs.
It has been found that an increase of about one percent above the start of reflux rate changes the conditions in the elevator duct from reflux to incipient reflux. The total gas flow rate can then be adjusted to keep the intermediate static pressure and / or the width of the pressure band constant.
The gas lift can also operate automatically and continuously at the optimum gas speed. Fig. 2 shows a static pressure valve 70 attached to a damper 71 for eliminating pressure fluctuations. The steady pressure is then applied to a pressure monitor 72. Since the optimum gas velocity is very critical, the monitor, in a preferred embodiment of the invention, is not required. not used to operate valve 66,
but to actuate the valve 73 provided in a small bypass duct paralleled with the main valve 66. Since the flow of
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gas through the bypass valve 73 is a small fraction of the flow through the main valve, the valve 73 has sufficient sensitivity to allow very precise adjustment of the optimum gas velocity. The main valve 66 is manually set to a sleep flow rate known to be slightly below the optimum value. The auxiliary valve is then automatically controlled in order to keep the speed at the optimum value and the attrition in the elevator at a minimum. '@'
There Fig. 3 shows an alternative embodiment.
The flow rate meter 60 may consist of a plate with an orifice, a venturi, or other suitable device for measuring the flow of gas. The heater 52 may be arranged in the primary gas line 38, as shown in the drawing, since typically 85-95 percent of the total gas flow passes through the primary gas line. The pressure tap 70 is connected to a limiter or tolerance control device 80, intended to control the width of the pressure band to maintain it between maximum and minimum values. The device 80 is connected to a valve 81 mounted in a small leakage duct 82.
The latter may be provided to withdraw gas from the primary gas conduit 38 when the valve 81 is open, or it may supply gas supplied by a pressure source, not shown. Thanks to this expedient, the gas flow is decreased when the variation of the static pressure decreases and vice versa. The optimum variation for any riser is quickly determined by a backflow test and the limits of the monitor 80 are set accordingly.
Figo 4 shows an arrangement in which the main valve 66 is automatically actuated by a flow control device 83, so as to maintain a constant flow through the elevator duct 25. A limiting device 84 is connected. to the pressure tap 70 and is used to actuate the valve 73 in the conduit 85, which forms a bypass with respect to the main valve 66. The flow control device 83 is provided with pressure conduits 86, 87 located on either side of the measuring device 60, as well as a bypass duct 88 connecting these two ducts. Valve 89 in conduit 88 is normally closed.
However, the limiting device 84 is designed to automatically actuate the valve 89 when the valve 73 is actuated so that the pressure drop across the flow meter is not changed. It is also possible to provide an arrangement such that the limiting device 84 acts directly on the flow control device 83 so as to adjust the latter to a new control point if the flow through the duct of bypass 85 is increased or decreased.
The control device 83 should be adjusted such that the controlled flow rate is increased or decreased by an amount equal to the increase or decrease in bypass duct 85.
In an alternative embodiment, instead of using a limiting device in the apparatus shown in FIG. 3, an automatic sampling instrument can be used to continuously perform reflux tests. This instrument is connected to the pressure tap 70, instead of the limiting device 80, and actuates the valve 81, as shown in FIG. 3. Instrument 80 'reduces the total gas flow until the static pressure of the elevator rises by about 100 percent, and then the instrument increases the total gas flow by approximately 1 percent. This succession of operations is continuous, so as to maintain the speed of the lifting gas in a zone of optimum values.
EXAMPLE.
An industrial catalytic cracking system, which has a reactor positioned above the furnace and includes a 237 foot pneumatic elevator duct, was operated with a catalyst circulation rate of 340 tonnes per hour, using a cracking catalyst. standard. The lower end of the elevator pipe has a mouthpiece which widens in a hyperbclic spiral curve. The lower frustoconical section of the pipe extends upward for approximately 65 percent of the length
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total and the upper section widens in a gentle curve to a maximum internal diameter of 39.3 ".
The. inside diameter of the pipe is 25.65 "- 27" - 29 "and 31.7", respectively at the lower end of the frustoconical section of the pipe, and at 50 feet, 100 feet, and 150 feet above of this level. Pressure taps were placed 166 feet and
214 feet above the base of the pipe and readings were taken continuously for a 24 hour period. The pressure-time diagrams are shown in Fig. 5. It has been observed that during normal operation these pressures vary over a band of a certain width, around a frankly constant mean value. The time of a fluctuation from one edge of the strip to the other had an average value of about one minute.
When the primary air flow was decreased, the band widened and the medium vapor moved in the direction of the higher pressures, 'With a further decrease in the primary air flow, the backflow occurs. produced, as it resulted, momentary increases in pressure up to values outside, and on the high pressure side, bands of normal operation, as shown in points A, B, C, D and E in the pressure diagram in Fig. 5. During the period from 1 to 7 hrs. reading (P.M.); the air flow was varied, as shown in Fig. 5, to indicate the difference in the pressure-time diagram at different gas flow rates.
When operation was continuous under incipient reflux conditions, as indicated between 7 and 9 hrs. During the survey, the attrition rate was less than one and a half tonnes per day for a circulation rate of 340 tonnes per hour. The minimum attrition gas flow under the operating conditions was approximately 12,600 cubic feet per minute at 20 ° C and 760 mmHg. The initial reflux rate was about 12,475 cubic feet per minute at 20 ° C and 760 mmHg.
1 It goes without saying that the aforementioned particular examples of embodiment of the apparatus, in terms of the form and arrangement, and of implementation and application of the invention only serve to illustrate it, and that multiple modifications can be made thereto without departing from the spirit of the invention.
CLAIMS.
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