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L'invention se rapporte aux réacteurs ou vases de réaction pour le traitement de matières solides finement divisées, selon la technique dite à lit fluidifié.
Un réacteur pour le traitement de matières sol ides fluidifiées comprend essentiellement un vase ou récipient pourvu d'une plaque sensiblement horizontale qui supporte un lit de matières solides finement divisées se trouvant dans la chambre de réaction et qui est habituellement munie de moyens à travers lesquels on produit un écoulement de gaz de fluidification et/ou de traitement. Dans beaucoup de cas, un réacteur simple est subdivisé par des plaques espacées verticalement et supportant des lits, de façon à former plusieurs chambres de réaction.
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Pour des opérations à haute température, telles que, par exemple, la calcination, le grillage de sulfures, la réduction de minerais de fer et analogues, et en particulier lorsqu'il s'agit de réactions exothermiques, la chambre de réaction doit nécessairement être pourvue d'un revêtement réfractaire pour assurer sa résistance à la chaleur. Tenant compte des charges qu'implique le support de lits de matières lourdes, ladite nécessité impose une limite supérieure pour la superficie de la section transversale de la chambre de réaction, parce que des voûtes auto-portantes en matière réfractaire, telles que requises pour la structure de plafond et les plaques de support de lit, deviennent exagérément lourdes, coûteuses et en général pratiquement irréalisables au-delà d'une certaine grandeur.
Actuellement, une limite pratique d'environ vingt-cinq pieds (approximativement 7,5 mètres) a été adoptée pour le diamètre de récipients cylindriques.
Un autre facteur qui impose une limite supérieure aux dimensions d'un réacteur à lit fluidifié est le fait que, pour ce qui concerne la nécessité d'introduire du carburant, du réfrigérant, du réactif, des gaz de traitement, etc. dans le lit fluidifié, il importe d'assurer quebeux-ci pénètrent d'une façon aussi unif orme que possible sur toute l'étendue du lit.
Cela limite à son tour la superficie de la section transversale, parce qu'il n'est pas toujours facile d'obtenir une dispersion convenable verticalement et latéralement dans le lit jusqu'à une distance plus grande qu' environ dix pieds (approximativement 3 mètres).
Les susdites limitations sont évitées par la cnstruction du réacteur conformément à la présente invention, selon laquelle le réacteur est établi sous la forme d'une structure comprenant une structure de colonne creuse sensiblement centrale, la ou les plaques de support de lit étant supportées intérieurement
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par ladite structure de colonne creuse et extérieurement par la paroi extérieure du réacteur, tandis qu'à la fois ladite paroi extérieure et ladite structure de colonne creuse sont utilisées commo moyens de support pour les instruments tels que des dis- p osi ti fs d' inj ec tion pour injecter du carburant, du réfrigérant,
du réactif ou autres matières de traitement, des dispositifs manométriques. des échangeurs de chaleur, des dispositifs de mesure de la température et des dispositifs analogues habituellement employés comme instruments auxiliaires dans l' opération de réacteurs à lit fluidifié. La structure est, de préférence, circulaire ou ovale en section transversale, parce que de telles structures sont automatiquement à grande résistance, mais il n'y a évidemment aucune raison pour que d'autres formes soient exclues de la portée de l'invention dans son aspect le plus large.
Le support bilatéral pour les supports de lit et les autres voûtes réfractaires qui sont nécessairement employées, permettent de construire un réacteur de grande section transversale, qui a par conséquent une grande capacité et évite ainsi les limitations de dimensions qui ont précédemment empêché l'emploi de réacteurs à grande capacité. De même, l'injection bilatérale de combustible, réfrigérant ou autres fluides de traitement assure une excellente pénétration sur toute l'étendue du lit et les autres instruments, tels que les échangeurs de chaleur, dispositifs de mesure et analogues, deviennent plus exactement représentatifs des conditions existant dans le lit.
L'obstruction fonmée dans la structure par la colonne centrale présente un avantage supplémentaire d'importance considérable dans les réacteurs pour matières solides fluidifiées.
A cet égard il est d'usage de maintenir les niveaux de lits fluidifiés en introduisant les matières à mettre en réaction depuis le haut dans le lit au moyen d'un conduit d'alimentation dirigé vers le bas et s'arrêtant à une faible distance au-dessus
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de la plaque de support du lit, et de décharger les matières @ solides, lorsqu'ils ont réagi, par débordement dans un conduit dont l'entrée est agencée à une certaine hauteur au-dessus de ladite plaque, qui correspond à la hauteur voulue du lit.
On comprendra qu'en décalant angulairement les conduits d'entrée et de sortie d' environ 180 la colonne ou pilier agit co.ime un obstacle efficace, en ce sens que cette colonne oblige les matières solides entrant dans le lit à se mouvoir dans le lit sur une distance appréciable avant d'atteindre le conduit de sortie, en minimisant ainsi toute tendance des solides d'alimentation entrant dans le lit à court-circuiter celui-ci en sortant par le conduit d'évacuation par débordement avant d'avoir séjourné dans le lit pendant le laps de temps nécessaire pour assurer leur réaction complète.
L'invention concerne, en outre, la division du lit par une cloison verticale qui s'étend entre des conduits d'entrée et de sortie rapprochés l'un de l'autre, de façon à obliger les solides entrants à contourner la colonne sur presqu'un cercle complet avant d'atteindre le conduit de décharge par débordement.
A titre démonstratif, un exemple d'exécution de l' invention sera décrit ci-après avec référence aux dessins annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une vue en perspective, principalement en section transversale, montrant un réacteur à lit fluidifié à compartiments multiples, construit conformément à la présente invention, et
La figure 2 est une vue en coupe horizontale d'un réacteur similaire à celui de la figure 1, mais comportant une légère modification.
Dans le cas de la figure 1, le réacteur est de forme annulaire et comprend une paroi extérieure 11 et, disposée sens:- blement au centre de celle-ci, une structure de. colonne creuse
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délimitée par une paroi en forme de cylindre creux 12, la forme annulaire étant délimitée par des blindages ou enveloppes d'acier 13 garnies de revêtements réfractaires 14. Le réacteur a un couvercle 15.et une boîte à vent annulaire 17 munie de valves de vidange 18 et de conduits d'amenée de gaz de fluidisation 42.
Le réacteur est divisé en quatre compartiments superposés A, B, C et D. L'étendue verticale de la zone A est délimitée vers le bas par une plaque perforée de support de lit19, qui est une plaque voûtée auto-portante en matière réfractaire, et vers le haut par le couvercle du réacteur. La plaque 19 supporte un lit 20 de matières solides, au-dessus duquel se trouve un espace libre 21. Des plaques perforées similaires réfractaires 23, 26 et 29 supportent respectivement des lits 24,27 et 30 dans les zones B, C et D. Des espaces libres 25, 28 et 31 se trouvent respectivement au-dessus desdits lits.
Les matières solides à traiter sont introduites dans le réacteur par un conduit d'alimentation 32 pourvu d'une valve de réglage 33. Les solides d'alimentation entrent dans lé lit supérieur 20, d'où ils débordent dans le tuyau de trop-plein 34, après s'être déplacés dans le lit supérieur 20 jusqu'à l'emplace- ment de ce tuyau. Les solides transportés de ce lit supérieur 20 dans le lit suivant 24 se meuvent à travers celui-ci pour s'écouler par débordement vers le lit immédiatement inférieur 27 par 'le conduit 36.
Les solides qui entrent dans ce lit 27 effectuent leur migration à travers celui-ci jusqu'à un tuyau de débordement 38, à travers lequel ils atteignent le lit suivant 30, Les solides se trouvant dans ce lit inférieur 30 en sont évacués, après l'avoir traversé, par écoulement à travers un conduit de décharge 40 quiest pourvu d'une valve réglable 41. Chaque lit du réacteur peut-être muni d'une valve de vidange.
Du gaz de fluidification est admis au réacteur par des conduits 42,munis de valves,dans une boite à vent annulaire 17.
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Ce gaz traverse successivement de bas en haut les quatre lits du réacteur et peut s'échapper de celui-ci par un conduit d'évacuation 44. Puisque ce courant gazeux sortant du réacteur contient des poussières entraînées, il est conduit directement dans un appareil collecteur de poussières 45 où le gaz et les poussières sont séparés. Le gaz exempt de poussières est évacué par un conduit 46 pour être purifié, subir un traitement quelconque ou être évacué comme gaz perdu, tandis que les poussières séparées sont déchargées par un tuyau de sortie 47 pour être évacuées du système ou être ramenées dans l'un ou l'autre des deux lits inférieurs 27, 3 0 par les tuyaux 48, 49. Tous ces tuyaux sont pourvus de valves-pour pouvoir effectuer la distribution voulue.
Lors de la mise en marche du réacteur il est nécessaire d'apporter de la chaleur pour atteindre la température de réaction.
Si la réaction est exothermique à la température de réaction, aucun apport de chaleur ne sera nécessaire aussi longtemps que l'ali mentation et l'introduction de gaz seront convenablement réglés.
Si la réaction est endothermique, par exemple une calcination, il faudra constamment amener du combustible pendant l'opération. Le combustible requis est fourni par des injecteurs 50.Au départ, le combustible doit être allumé pour la mise en marche, mais en général, spécialement lorsqu'il s'agit d'une réaction endothermique, tout apport de chaleur requis après que le réacteur a atteint sa température de travail est fourni par la combustion de combustible additionnel.
Tel qu'il ressort clairement de la figure 1, la structure de colonne centrale creuse, ainsi que le couvercle 15 et la boîte à vent 17 sont ouverts au centre et, bien que cela ne soit pas absolument nécessaire, cette disposition est particulièrement appropriée et est certainement préférable pour donner accès aux instruments que cette colonne supporte, tandis que dans de grands réacteurs le diamètre de ladite structure peut être suffisamment
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grand pour permettre l'entrée d'un opérateur qui peut alors pénétrer, par des portes de four convenablement disposées, dans les chambres de réaction pour effectuer la surveillance et des travaux de réparation lorsque le réacteur est arrêté.
La fluidisation des lits est produite par l'écoulement de gaz vers le haut depuis la boite à vent, à une vitesse de fluidisation et, si nécessaire, du gaz de fluidisation supplémentaire peut être fourni aux chambres de réaction supérieures. De préférence, les niveaux des lits sont maintenus par une alimentation et un écoulement par débordement continus, la durée de séjour des matières solides dans le lit étant déterminée par le débit d'alimentation.
L'invention, bien qu'elle soit illustrée et décrite plus spécialement pour un réacteur à chambres multiples, est également applicable à des réacteurs ne comportant qu'une seule chambre.
La figure 2 peut être considérée comme étant une vue en coupe horizontale dans la zone de base (zone D) d'un réacteur qui, d'une façon générale et en particulier extérieurement, ressemble fortement à celui montré dans la figure 1. Ainsi dans la figure 2, la référence 11 désigne l'ensemble de la paroi du réacteur, 12 l'ensemble de la paroi intérieure, 13 les blindages d'acier, 14 les revêtements réfractaires, 30 le lit dans la zone D, 40 le tuyau de décharge finale par débordement et 41 sa valve de réglage, tous ces éléments correspondant à la figure 1.
La figure 2 diffère toutefois de la figure 1 en ce qu'elle montre une cloison 52 et une disposition quelque peu différente du conduit de descente des matières solides dans le lit et qui est désigné en ce cas par 38'. Dans cette forme d'exécution, le conduit 38' n'est que légèrement décalé angulairement par rapport au conduit de débordement 40, mais la cloison 52 . isole lesdits conduits l'un de l'autre, de sorte que les matières solides entrant dans le lit par le conduit 38' sort
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obligées de séjourner pendant un laps de temps approprié dans le lit, parce qu'elles' sont obligées de contourner la structure centrale avant d'atteindre le tuyau de débordement 40.
Cette disposition empêche positivement les matières solides de courtcircuiter le lit et, dans le cas d'un réacteur à chambres multiples, un nombre quelconque des chambres peuvent être pourvues d'une telle cloison.
Lors de la construction, les parois de revêtement 14 et les voûtes 19, 23 et 26 peuvent être exécutées sur place en maçonnerie de briques réfractaires ou d'autres blocs appropriés, les blocs voisins s'emboîtant mutuellement ou.étant pourvus de faces inclinées coopérant convenablement l'une avec l'autre, la disposition étant telle que les plaques de support des lits comprennent des structures de voûtes auto-portantes. Les blocs qui constituent les bords intérieurs et extérieurs des plaques de support des lits peuvent prendre initialement appui sur des brides prévues aux blindages 13, ces brides étant finalement noyées dans la maçonnerie réfractaire.
Les blocs qui constituent les plaques de support des lits sont convenablement perforés pour permettre le passage du gaz de fluidisation et/ou de traitement, et dans certains cas il peut être désirable de prévoir des tuyères qui s'étendent à travers.les blocs pour assurer le passage et la distribution du gaz.
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The invention relates to reactors or reaction vessels for the treatment of finely divided solids, according to the so-called fluidized bed technique.
A reactor for the treatment of fluidized solids essentially comprises a vessel or vessel provided with a substantially horizontal plate which supports a bed of finely divided solids in the reaction chamber and which is usually provided with means through which one. produces a flow of fluidizing and / or process gas. In many cases, a single reactor is subdivided by vertically spaced plates supporting beds, so as to form several reaction chambers.
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For high temperature operations, such as, for example, calcination, sulphide roasting, reduction of iron ores and the like, and especially when it comes to exothermic reactions, the reaction chamber must necessarily be provided with a refractory lining to ensure its resistance to heat. Taking into account the loads involved in supporting beds of heavy material, said necessity imposes an upper limit on the cross-sectional area of the reaction chamber, because self-supporting arches of refractory material, as required for the ceiling structure and bed support plates, become disproportionately heavy, expensive and in general virtually impractical beyond a certain size.
Currently, a practical limit of about twenty-five feet (approximately 7.5 meters) has been adopted for the diameter of cylindrical containers.
Another factor which imposes an upper limit on the dimensions of a fluidized bed reactor is the fact that, with regard to the need to introduce fuel, refrigerant, reagent, process gases, etc. in the fluidized bed, it is important to ensure that these penetrate as uniformly as possible over the entire extent of the bed.
This in turn limits the area of the cross-section, because it is not always easy to obtain a suitable dispersion vertically and laterally in the bed up to a distance greater than about ten feet (approximately 3 meters ).
The above limitations are avoided by the construction of the reactor in accordance with the present invention, wherein the reactor is established as a structure comprising a substantially central hollow column structure, the bed support plate (s) being internally supported.
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by said hollow column structure and externally by the outer wall of the reactor, while both said outer wall and said hollow column structure are used as supporting means for instruments such as devices. injection to inject fuel, coolant,
reagent or other processing materials, manometric devices. heat exchangers, temperature measuring devices and the like usually employed as auxiliary instruments in the operation of fluidized bed reactors. The structure is preferably circular or oval in cross section, because such structures are automatically high strength, but there is obviously no reason why other shapes should be excluded from the scope of the invention in its widest aspect.
The bilateral support for the bed supports and other refractory arches which are necessarily employed, allow to construct a reactor of large cross section, which therefore has a large capacity and thus avoids the dimensional limitations which previously prevented the use of high capacity reactors. Likewise, the bilateral injection of fuel, coolant, or other process fluids ensures excellent penetration over the full extent of the bed, and other instruments, such as heat exchangers, measuring devices and the like, become more accurately representative of conditions existing in the bed.
An additional advantage of considerable importance in reactors for fluidized solids is the obstruction formed in the structure by the central column.
In this regard, it is customary to maintain the levels of the fluidized beds by introducing the materials to be reacted from the top into the bed by means of a feed pipe directed downwards and stopping at a short distance. above
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of the bed support plate, and to discharge the solids, when they have reacted, by overflow into a duct whose inlet is arranged at a certain height above said plate, which corresponds to the desired height bed.
It will be understood that by angularly shifting the inlet and outlet ducts by about 180 the column or pillar acts as an effective obstacle, in that this column forces the solids entering the bed to move in the bed. bed a substantial distance before reaching the outlet duct, thereby minimizing any tendency for feed solids entering the bed to bypass the bed by exiting the overflow exhaust duct before having stayed in bed for the amount of time necessary to ensure their full reaction.
The invention further relates to the division of the bed by a vertical partition which extends between inlet and outlet conduits close to each other, so as to force the incoming solids to bypass the column on. almost a full circle before reaching the overflow discharge pipe.
By way of demonstration, an exemplary embodiment of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 is a perspective view, mainly in cross section, showing a multiple compartment fluidized bed reactor constructed in accordance with the present invention, and
Figure 2 is a horizontal sectional view of a reactor similar to that of Figure 1, but with a slight modification.
In the case of Figure 1, the reactor is annular in shape and comprises an outer wall 11 and, arranged direction: - strongly in the center thereof, a structure. hollow column
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delimited by a wall in the form of a hollow cylinder 12, the annular shape being delimited by steel shields or casings 13 lined with refractory linings 14. The reactor has a cover 15. and an annular wind box 17 provided with drain valves 18 and ducts for supplying fluidization gas 42.
The reactor is divided into four superimposed compartments A, B, C and D. The vertical extent of zone A is delimited downwards by a perforated bed support plate19, which is a self-supporting arched plate made of refractory material, and upwards through the reactor cover. The plate 19 supports a bed 20 of solids, above which is a free space 21. Similar refractory perforated plates 23, 26 and 29 respectively support beds 24, 27 and 30 in zones B, C and D. Free spaces 25, 28 and 31 are respectively located above said beds.
The solids to be treated are introduced into the reactor through a feed pipe 32 provided with a control valve 33. The feed solids enter the upper bed 20, from where they overflow into the overflow pipe. 34, after having moved in the upper bed 20 to the location of this pipe. The solids transported from this upper bed 20 to the next bed 24 move through it to overflow to the immediately lower bed 27 through the conduit 36.
The solids which enter this bed 27 migrate through it to an overflow pipe 38, through which they reach the next bed 30. The solids in this lower bed 30 are discharged therefrom, after the 'having passed through, by flow through a discharge duct 40 which is provided with an adjustable valve 41. Each reactor bed may be provided with a drain valve.
Fluidification gas is admitted to the reactor through conduits 42, fitted with valves, into an annular wind box 17.
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This gas passes successively from bottom to top through the four beds of the reactor and can escape from the latter via an evacuation duct 44. Since this gas stream leaving the reactor contains entrained dust, it is carried directly into a collecting device. of dust 45 where gas and dust are separated. The dust free gas is discharged through a line 46 to be purified, undergo any treatment or to be discharged as waste gas, while the separated dust is discharged through an outlet pipe 47 to be discharged from the system or to be returned to the system. one or the other of the two lower beds 27, 30 through the pipes 48, 49. All of these pipes are provided with valves to be able to effect the desired distribution.
When starting up the reactor, it is necessary to add heat to reach the reaction temperature.
If the reaction is exothermic at the reaction temperature, no heat input will be necessary as long as the feed and gas feed are properly controlled.
If the reaction is endothermic, for example calcination, it will be necessary to constantly supply fuel during the operation. The required fuel is supplied by 50 injectors. Initially the fuel must be ignited for start-up, but in general, especially in an endothermic reaction, any heat input required after the reactor has reached its working temperature is provided by the combustion of additional fuel.
As is clear from Fig. 1, the hollow central column structure, as well as the cover 15 and the air box 17 are open in the center and, although not absolutely necessary, this arrangement is particularly suitable and is certainly preferable to give access to the instruments that this column supports, while in large reactors the diameter of said structure can be sufficiently
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large to allow the entry of an operator who can then enter, through suitably arranged furnace doors, the reaction chambers for monitoring and repair work when the reactor is shut down.
Fluidization of the beds is produced by the upward flow of gas from the windbox at a fluidization rate and, if necessary, additional fluidization gas can be supplied to the upper reaction chambers. Preferably, bed levels are maintained by continuous feed and overflow flow, the residence time of solids in the bed being determined by the feed rate.
The invention, although it is illustrated and described more specifically for a multiple chamber reactor, is also applicable to reactors having only one chamber.
Figure 2 can be considered as being a horizontal sectional view in the base zone (zone D) of a reactor which, in general and in particular externally, strongly resembles that shown in figure 1. Thus in Figure 2, reference 11 designates the entire wall of the reactor, 12 the entire interior wall, 13 the steel shields, 14 the refractory linings, 30 the bed in zone D, 40 the final discharge by overflow and its adjustment valve, all these elements corresponding to Figure 1.
FIG. 2 differs, however, from FIG. 1 in that it shows a partition 52 and a somewhat different arrangement of the conduit for the descent of the solids into the bed and which is designated in this case by 38 '. In this embodiment, the duct 38 'is only slightly angularly offset with respect to the overflow duct 40, but the partition 52. isolates said ducts from each other, so that solids entering the bed through duct 38 'come out
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forced to stay for a suitable length of time in bed, because they are forced to bypass the central structure before reaching the overflow pipe 40.
This arrangement positively prevents solids from bypassing the bed and, in the case of a multiple chamber reactor, any number of the chambers can be provided with such a partition.
During construction, the cladding walls 14 and the vaults 19, 23 and 26 can be executed on site in masonry of refractory bricks or other suitable blocks, the neighboring blocks interlocking with each other or being provided with cooperating inclined faces. suitably with each other, the arrangement being such that the bed support plates comprise self-supporting arch structures. The blocks which constitute the inner and outer edges of the bed support plates can initially rest on flanges provided for the shields 13, these flanges being finally embedded in the refractory masonry.
The blocks which constitute the bed support plates are suitably perforated to allow passage of the fluidizing and / or process gas, and in some cases it may be desirable to provide nozzles which extend through the blocks to provide the passage and distribution of gas.